Make non-module passes unconditionally added in the pass
[oota-llvm.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This document is the central repository for all information pertaining to debug
12 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
13 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
14 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
15 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
16
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
19
20 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
21 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
22 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
23 important ones are:
24
25 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
26   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
27   be modified because of debugging information.
28
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
31
32 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
33   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
34   the source-level-language.
35
36 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
37   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
38   and the debugging information should work with any language.
39
40 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
41   to compile a program to native machine code and standard debugging
42   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
43   debuggers, like GDB or DBX.
44
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` to define a mapping
47 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
48 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
49 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
50 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
51 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
52
53 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
54 the stored debug information into source-language specific information.  As
55 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
56 specific language or family of languages.
57
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
60
61 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
62 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
63 user a relationship between generated code and the original program source
64 code.
65
66 Currently, debug information is consumed by DwarfDebug to produce dwarf
67 information used by the gdb debugger.  Other targets could use the same
68 information to produce stabs or other debug forms.
69
70 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
71 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
72 source from generated code.
73
74 TODO - expound a bit more.
75
76 .. _intro_debugopt:
77
78 Debugging optimized code
79 ------------------------
80
81 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
82 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
83 information provides the following guarantees:
84
85 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
86   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
87   optimizations have been run, and without any modification to the
88   optimizations themselves.  However, some optimizations may impact the
89   ability to modify the current state of the program with a debugger, such
90   as setting program variables, or calling functions that have been
91   deleted.
92
93 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of the LLVM
94   debugging information, allowing them to update the debugging information
95   as they perform aggressive optimizations.  This means that, with effort,
96   the LLVM optimizers could optimize debug code just as well as non-debug
97   code.
98
99 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
100   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
101   tail duplication, etc).
102
103 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
104   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
105   information is automatically merged by the linker, and unused information
106   is automatically removed.
107
108 Basically, the debug information allows you to compile a program with
109 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
110 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
111 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
112 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
113 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
114 and call functions where were optimized out of the program, or inlined away
115 completely.
116
117 :ref:`LLVM test suite <test-suite-quickstart>` provides a framework to test
118 optimizer's handling of debugging information.  It can be run like this:
119
120 .. code-block:: bash
121
122   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
123   % make TEST=dbgopt
124
125 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
126 debugging information influences optimization passes then it will be reported
127 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
128 infrastructure and how to run various tests.
129
130 .. _format:
131
132 Debugging information format
133 ============================
134
135 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
136 the optimizer to optimize the program and debugging information without
137 necessarily having to know anything about debugging information.  In
138 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
139 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
140 debugging information for a function if it decides to delete the function.
141
142 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
143 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
144 in the form of LLVM metadata.
145
146 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
147 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
148 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
149 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
150 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
151 debugger to interpret the information.
152
153 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
154 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
155 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
156 exist are :ref:`source files <format_files>`, and :ref:`program objects
157 <format_global_variables>`.  These abstract objects are used by a debugger to
158 form stack traces, show information about local variables, etc.
159
160 This section of the documentation first describes the representation aspects
161 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
162 conventions used by the C and C++ front-ends.
163
164 Debug information descriptors
165 -----------------------------
166
167 In consideration of the complexity and volume of debug information, LLVM
168 provides a specification for well formed debug descriptors.
169
170 Consumers of LLVM debug information expect the descriptors for program objects
171 to start in a canonical format, but the descriptors can include additional
172 information appended at the end that is source-language specific.  All debugging
173 information objects start with a tag to indicate what type of object it is.
174 The source-language is allowed to define its own objects, by using unreserved
175 tag numbers.  We recommend using with tags in the range 0x1000 through 0x2000
176 (there is a defined ``enum DW_TAG_user_base = 0x1000``.)
177
178 The fields of debug descriptors used internally by LLVM are restricted to only
179 the simple data types ``i32``, ``i1``, ``float``, ``double``, ``mdstring`` and
180 ``mdnode``.
181
182 .. code-block:: llvm
183
184   !1 = metadata !{
185     i32,   ;; A tag
186     ...
187   }
188
189 <a name="LLVMDebugVersion">The first field of a descriptor is always an
190 ``i32`` containing a tag value identifying the content of the descriptor.
191 The remaining fields are specific to the descriptor.  The values of tags are
192 loosely bound to the tag values of DWARF information entries.  However, that
193 does not restrict the use of the information supplied to DWARF targets.
194
195 The details of the various descriptors follow.
196
197 Compile unit descriptors
198 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
199
200 .. code-block:: llvm
201
202   !0 = metadata !{
203     i32,       ;; Tag = 17 (DW_TAG_compile_unit)
204     metadata,  ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
205     i32,       ;; DWARF language identifier (ex. DW_LANG_C89)
206     metadata   ;; Producer (ex. "4.0.1 LLVM (LLVM research group)")
207     i1,        ;; True if this is optimized.
208     metadata,  ;; Flags
209     i32        ;; Runtime version
210     metadata   ;; List of enums types
211     metadata   ;; List of retained types
212     metadata   ;; List of subprograms
213     metadata   ;; List of global variables
214     metadata   ;; List of imported entities
215     metadata   ;; Split debug filename
216   }
217
218 These descriptors contain a source language ID for the file (we use the DWARF
219 3.0 ID numbers, such as ``DW_LANG_C89``, ``DW_LANG_C_plus_plus``,
220 ``DW_LANG_Cobol74``, etc), a reference to a metadata node containing a pair of
221 strings for the source file name and the working directory, as well as an
222 identifier string for the compiler that produced it.
223
224 Compile unit descriptors provide the root context for objects declared in a
225 specific compilation unit.  File descriptors are defined using this context.
226 These descriptors are collected by a named metadata ``!llvm.dbg.cu``.  They
227 keep track of subprograms, global variables, type information, and imported
228 entities (declarations and namespaces).
229
230 .. _format_files:
231
232 File descriptors
233 ^^^^^^^^^^^^^^^^
234
235 .. code-block:: llvm
236
237   !0 = metadata !{
238     i32,      ;; Tag = 41 (DW_TAG_file_type)
239     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
240   }
241
242 These descriptors contain information for a file.  Global variables and top
243 level functions would be defined using this context.  File descriptors also
244 provide context for source line correspondence.
245
246 Each input file is encoded as a separate file descriptor in LLVM debugging
247 information output.
248
249 .. _format_global_variables:
250
251 Global variable descriptors
252 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
253
254 .. code-block:: llvm
255
256   !1 = metadata !{
257     i32,      ;; Tag = 52 (DW_TAG_variable)
258     i32,      ;; Unused field.
259     metadata, ;; Reference to context descriptor
260     metadata, ;; Name
261     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
262     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
263     metadata, ;; Reference to file where defined
264     i32,      ;; Line number where defined
265     metadata, ;; Reference to type descriptor
266     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
267     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
268     {}*,      ;; Reference to the global variable
269     metadata, ;; The static member declaration, if any
270   }
271
272 These descriptors provide debug information about global variables.  They
273 provide details such as name, type and where the variable is defined.  All
274 global variables are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
275
276 .. _format_subprograms:
277
278 Subprogram descriptors
279 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
280
281 .. code-block:: llvm
282
283   !2 = metadata !{
284     i32,      ;; Tag = 46 (DW_TAG_subprogram)
285     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
286     metadata, ;; Reference to context descriptor
287     metadata, ;; Name
288     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
289     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
290     i32,      ;; Line number where defined
291     metadata, ;; Reference to type descriptor
292     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
293     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
294     i32,      ;; Virtuality, e.g. dwarf::DW_VIRTUALITY__virtual
295     i32,      ;; Index into a virtual function
296     metadata, ;; indicates which base type contains the vtable pointer for the
297               ;; derived class
298     i32,      ;; Flags - Artificial, Private, Protected, Explicit, Prototyped.
299     i1,       ;; isOptimized
300     {}*,      ;; Reference to the LLVM function
301     metadata, ;; Lists function template parameters
302     metadata, ;; Function declaration descriptor
303     metadata, ;; List of function variables
304     i32       ;; Line number where the scope of the subprogram begins
305   }
306
307 These descriptors provide debug information about functions, methods and
308 subprograms.  They provide details such as name, return types and the source
309 location where the subprogram is defined.
310
311 Block descriptors
312 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
313
314 .. code-block:: llvm
315
316   !3 = metadata !{
317     i32,      ;; Tag = 11 (DW_TAG_lexical_block)
318     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
319     metadata, ;; Reference to context descriptor
320     i32,      ;; Line number
321     i32,      ;; Column number
322     i32,      ;; DWARF path discriminator value
323     i32       ;; Unique ID to identify blocks from a template function
324   }
325
326 This descriptor provides debug information about nested blocks within a
327 subprogram.  The line number and column numbers are used to dinstinguish two
328 lexical blocks at same depth.
329
330 .. code-block:: llvm
331
332   !3 = metadata !{
333     i32,      ;; Tag = 11 (DW_TAG_lexical_block)
334     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
335     metadata  ;; Reference to the scope we're annotating with a file change
336   }
337
338 This descriptor provides a wrapper around a lexical scope to handle file
339 changes in the middle of a lexical block.
340
341 .. _format_basic_type:
342
343 Basic type descriptors
344 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
345
346 .. code-block:: llvm
347
348   !4 = metadata !{
349     i32,      ;; Tag = 36 (DW_TAG_base_type)
350     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
351     metadata, ;; Reference to context
352     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
353     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
354     i64,      ;; Size in bits
355     i64,      ;; Alignment in bits
356     i64,      ;; Offset in bits
357     i32,      ;; Flags
358     i32       ;; DWARF type encoding
359   }
360
361 These descriptors define primitive types used in the code.  Example ``int``,
362 ``bool`` and ``float``.  The context provides the scope of the type, which is
363 usually the top level.  Since basic types are not usually user defined the
364 context and line number can be left as NULL and 0.  The size, alignment and
365 offset are expressed in bits and can be 64 bit values.  The alignment is used
366 to round the offset when embedded in a :ref:`composite type
367 <format_composite_type>` (example to keep float doubles on 64 bit boundaries).
368 The offset is the bit offset if embedded in a :ref:`composite type
369 <format_composite_type>`.
370
371 The type encoding provides the details of the type.  The values are typically
372 one of the following:
373
374 .. code-block:: llvm
375
376   DW_ATE_address       = 1
377   DW_ATE_boolean       = 2
378   DW_ATE_float         = 4
379   DW_ATE_signed        = 5
380   DW_ATE_signed_char   = 6
381   DW_ATE_unsigned      = 7
382   DW_ATE_unsigned_char = 8
383
384 .. _format_derived_type:
385
386 Derived type descriptors
387 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
388
389 .. code-block:: llvm
390
391   !5 = metadata !{
392     i32,      ;; Tag (see below)
393     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
394     metadata, ;; Reference to context
395     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
396     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
397     i64,      ;; Size in bits
398     i64,      ;; Alignment in bits
399     i64,      ;; Offset in bits
400     i32,      ;; Flags to encode attributes, e.g. private
401     metadata, ;; Reference to type derived from
402     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property associated with
403               ;; Objective-C an ivar, or the type of which this
404               ;; pointer-to-member is pointing to members of.
405     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property getter selector.
406     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property setter selector.
407     i32       ;; (optional) Objective C property attributes.
408   }
409
410 These descriptors are used to define types derived from other types.  The value
411 of the tag varies depending on the meaning.  The following are possible tag
412 values:
413
414 .. code-block:: llvm
415
416   DW_TAG_formal_parameter   = 5
417   DW_TAG_member             = 13
418   DW_TAG_pointer_type       = 15
419   DW_TAG_reference_type     = 16
420   DW_TAG_typedef            = 22
421   DW_TAG_ptr_to_member_type = 31
422   DW_TAG_const_type         = 38
423   DW_TAG_volatile_type      = 53
424   DW_TAG_restrict_type      = 55
425
426 ``DW_TAG_member`` is used to define a member of a :ref:`composite type
427 <format_composite_type>` or :ref:`subprogram <format_subprograms>`.  The type
428 of the member is the :ref:`derived type <format_derived_type>`.
429 ``DW_TAG_formal_parameter`` is used to define a member which is a formal
430 argument of a subprogram.
431
432 ``DW_TAG_typedef`` is used to provide a name for the derived type.
433
434 ``DW_TAG_pointer_type``, ``DW_TAG_reference_type``, ``DW_TAG_const_type``,
435 ``DW_TAG_volatile_type`` and ``DW_TAG_restrict_type`` are used to qualify the
436 :ref:`derived type <format_derived_type>`.
437
438 :ref:`Derived type <format_derived_type>` location can be determined from the
439 context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in bits
440 and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
441 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`  (example to keep
442 float doubles on 64 bit boundaries.) The offset is the bit offset if embedded
443 in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
444
445 Note that the ``void *`` type is expressed as a type derived from NULL.
446
447 .. _format_composite_type:
448
449 Composite type descriptors
450 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
451
452 .. code-block:: llvm
453
454   !6 = metadata !{
455     i32,      ;; Tag (see below)
456     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
457     metadata, ;; Reference to context
458     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
459     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
460     i64,      ;; Size in bits
461     i64,      ;; Alignment in bits
462     i64,      ;; Offset in bits
463     i32,      ;; Flags
464     metadata, ;; Reference to type derived from
465     metadata, ;; Reference to array of member descriptors
466     i32,      ;; Runtime languages
467     metadata, ;; Base type containing the vtable pointer for this type
468     metadata, ;; Template parameters
469     metadata  ;; A unique identifier for type uniquing purpose (may be null)
470   }
471
472 These descriptors are used to define types that are composed of 0 or more
473 elements.  The value of the tag varies depending on the meaning.  The following
474 are possible tag values:
475
476 .. code-block:: llvm
477
478   DW_TAG_array_type       = 1
479   DW_TAG_enumeration_type = 4
480   DW_TAG_structure_type   = 19
481   DW_TAG_union_type       = 23
482   DW_TAG_subroutine_type  = 21
483   DW_TAG_inheritance      = 28
484
485 The vector flag indicates that an array type is a native packed vector.
486
487 The members of array types (tag = ``DW_TAG_array_type``) are
488 :ref:`subrange descriptors <format_subrange>`, each
489 representing the range of subscripts at that level of indexing.
490
491 The members of enumeration types (tag = ``DW_TAG_enumeration_type``) are
492 :ref:`enumerator descriptors <format_enumerator>`, each representing the
493 definition of enumeration value for the set.  All enumeration type descriptors
494 are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
495
496 The members of structure (tag = ``DW_TAG_structure_type``) or union (tag =
497 ``DW_TAG_union_type``) types are any one of the :ref:`basic
498 <format_basic_type>`, :ref:`derived <format_derived_type>` or :ref:`composite
499 <format_composite_type>` type descriptors, each representing a field member of
500 the structure or union.
501
502 For C++ classes (tag = ``DW_TAG_structure_type``), member descriptors provide
503 information about base classes, static members and member functions.  If a
504 member is a :ref:`derived type descriptor <format_derived_type>` and has a tag
505 of ``DW_TAG_inheritance``, then the type represents a base class.  If the member
506 of is a :ref:`global variable descriptor <format_global_variables>` then it
507 represents a static member.  And, if the member is a :ref:`subprogram
508 descriptor <format_subprograms>` then it represents a member function.  For
509 static members and member functions, ``getName()`` returns the members link or
510 the C++ mangled name.  ``getDisplayName()`` the simplied version of the name.
511
512 The first member of subroutine (tag = ``DW_TAG_subroutine_type``) type elements
513 is the return type for the subroutine.  The remaining elements are the formal
514 arguments to the subroutine.
515
516 :ref:`Composite type <format_composite_type>` location can be determined from
517 the context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in
518 bits and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
519 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>` (as an example, to
520 keep float doubles on 64 bit boundaries).  The offset is the bit offset if
521 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
522
523 .. _format_subrange:
524
525 Subrange descriptors
526 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
527
528 .. code-block:: llvm
529
530   !42 = metadata !{
531     i32,      ;; Tag = 33 (DW_TAG_subrange_type)
532     i64,      ;; Low value
533     i64       ;; High value
534   }
535
536 These descriptors are used to define ranges of array subscripts for an array
537 :ref:`composite type <format_composite_type>`.  The low value defines the lower
538 bounds typically zero for C/C++.  The high value is the upper bounds.  Values
539 are 64 bit.  ``High - Low + 1`` is the size of the array.  If ``Low > High``
540 the array bounds are not included in generated debugging information.
541
542 .. _format_enumerator:
543
544 Enumerator descriptors
545 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
546
547 .. code-block:: llvm
548
549   !6 = metadata !{
550     i32,      ;; Tag = 40 (DW_TAG_enumerator)
551     metadata, ;; Name
552     i64       ;; Value
553   }
554
555 These descriptors are used to define members of an enumeration :ref:`composite
556 type <format_composite_type>`, it associates the name to the value.
557
558 Local variables
559 ^^^^^^^^^^^^^^^
560
561 .. code-block:: llvm
562
563   !7 = metadata !{
564     i32,      ;; Tag (see below)
565     metadata, ;; Context
566     metadata, ;; Name
567     metadata, ;; Reference to file where defined
568     i32,      ;; 24 bit - Line number where defined
569               ;; 8 bit - Argument number. 1 indicates 1st argument.
570     metadata, ;; Reference to the type descriptor
571     i32,      ;; flags
572     metadata  ;; (optional) Reference to inline location
573     metadata  ;; (optional) Reference to a complex expression (see below)
574   }
575
576 These descriptors are used to define variables local to a sub program.  The
577 value of the tag depends on the usage of the variable:
578
579 .. code-block:: llvm
580
581   DW_TAG_auto_variable   = 256
582   DW_TAG_arg_variable    = 257
583
584 An auto variable is any variable declared in the body of the function.  An
585 argument variable is any variable that appears as a formal argument to the
586 function.
587
588 The context is either the subprogram or block where the variable is defined.
589 Name the source variable name.  Context and line indicate where the variable
590 was defined.  Type descriptor defines the declared type of the variable.
591
592 .. _format_common_intrinsics:
593
594 Debugger intrinsic functions
595 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
596
597 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
598 provide debug information at various points in generated code.
599
600 ``llvm.dbg.declare``
601 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
602
603 .. code-block:: llvm
604
605   void %llvm.dbg.declare(metadata, metadata)
606
607 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
608 The first argument is metadata holding the alloca for the variable.  The second
609 argument is metadata containing a description of the variable.
610
611 ``llvm.dbg.value``
612 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
613
614 .. code-block:: llvm
615
616   void %llvm.dbg.value(metadata, i64, metadata)
617
618 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
619 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
620 argument is the offset in the user source variable where the new value is
621 written.  The third argument is metadata containing a description of the user
622 source variable.
623
624 Object lifetimes and scoping
625 ============================
626
627 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
628 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
629 example, variables are only live (readable and writable) within the source
630 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
631 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
632 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
633 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
634
635 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
636 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
637 following C fragment, for example:
638
639 .. code-block:: c
640
641   1.  void foo() {
642   2.    int X = 21;
643   3.    int Y = 22;
644   4.    {
645   5.      int Z = 23;
646   6.      Z = X;
647   7.    }
648   8.    X = Y;
649   9.  }
650
651 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
652
653 .. code-block:: llvm
654
655   define void @foo() #0 {
656   entry:
657    %X = alloca i32, align 4
658     %Y = alloca i32, align 4
659     %Z = alloca i32, align 4
660     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !10), !dbg !12
661       ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
662     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !12
663     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Y}, metadata !13), !dbg !14
664       ; [debug line = 3:7] [debug variable = Y]
665     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !14
666     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
667       ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
668     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !17
669     %0 = load i32* %X, align 4, !dbg !18
670       [debug line = 6:5]
671     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !18
672     %1 = load i32* %Y, align 4, !dbg !19
673       [debug line = 8:3]
674     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !19
675     ret void, !dbg !20
676   }
677
678   ; Function Attrs: nounwind readnone
679   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata) #1
680
681   attributes #0 = { nounwind ssp uwtable "less-precise-fpmad"="false"
682     "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf"
683     "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false"
684     "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false"
685     "use-soft-float"="false" }
686   attributes #1 = { nounwind readnone }
687
688   !llvm.dbg.cu = !{!0}
689   !llvm.module.flags = !{!8}
690   !llvm.ident = !{!9}
691
692   !0 = metadata !{i32 786449, metadata !1, i32 12,
693                   metadata !"clang version 3.4 (trunk 193128) (llvm/trunk 193139)",
694                   i1 false, metadata !"", i32 0, metadata !2, metadata !2, metadata !3,
695                   metadata !2, metadata !2, metadata !""} ; [ DW_TAG_compile_unit ] \
696                     [/private/tmp/foo.c] \
697                     [DW_LANG_C99]
698   !1 = metadata !{metadata !"t.c", metadata !"/private/tmp"}
699   !2 = metadata !{i32 0}
700   !3 = metadata !{metadata !4}
701   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
702                   metadata !"foo", metadata !"", i32 1, metadata !6,
703                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 0, i1 false,
704                   void ()* @foo, null, null, metadata !2, i32 1}
705                   ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
706   !5 = metadata !{i32 786473, metadata !1}  ; [ DW_TAG_file_type ] \
707                     [/private/tmp/t.c]
708   !6 = metadata !{i32 786453, i32 0, null, metadata !"", i32 0, i64 0, i64 0,
709                   i64 0, i32 0, null, metadata !7, i32 0, null, null, null}
710                   ; [ DW_TAG_subroutine_type ] \
711                     [line 0, size 0, align 0, offset 0] [from ]
712   !7 = metadata !{null}
713   !8 = metadata !{i32 2, metadata !"Dwarf Version", i32 2}
714   !9 = metadata !{metadata !"clang version 3.4 (trunk 193128) (llvm/trunk 193139)"}
715   !10 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"X", metadata !5, i32 2,
716                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [X] \
717                      [line 2]
718   !11 = metadata !{i32 786468, null, null, metadata !"int", i32 0, i64 32,
719                    i64 32, i64 0, i32 0, i32 5} ; [ DW_TAG_base_type ] [int] \
720                      [line 0, size 32, align 32, offset 0, enc DW_ATE_signed]
721   !12 = metadata !{i32 2, i32 0, metadata !4, null}
722   !13 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"Y", metadata !5, i32 3,
723                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Y] \
724                      [line 3]
725   !14 = metadata !{i32 3, i32 0, metadata !4, null}
726   !15 = metadata !{i32 786688, metadata !16, metadata !"Z", metadata !5, i32 5,
727                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Z] \
728                      [line 5]
729   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 0, i32 0,
730                    i32 0} \
731                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/t.c]
732   !17 = metadata !{i32 5, i32 0, metadata !16, null}
733   !18 = metadata !{i32 6, i32 0, metadata !16, null}
734   !19 = metadata !{i32 8, i32 0, metadata !4, null} ; [ DW_TAG_imported_declaration ]
735   !20 = metadata !{i32 9, i32 0, metadata !4, null}
736
737 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
738 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
739 location information, which are attached to an instruction, are applied
740 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
741 variable definitions, and the code used to implement the function.
742
743 .. code-block:: llvm
744
745   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !10), !dbg !12
746     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
747
748 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
749 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !12`` attached to the intrinsic provides
750 scope information for the variable ``X``.
751
752 .. code-block:: llvm
753
754   !12 = metadata !{i32 2, i32 0, metadata !4, null}
755   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
756                   metadata !"foo", metadata !"", i32 1, metadata !6,
757                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 0, i1 false,
758                   void ()* @foo, null, null, metadata !2, i32 1}
759                     ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
760
761 Here ``!12`` is metadata providing location information.  It has four fields:
762 line number, column number, scope, and original scope.  The original scope
763 represents inline location if this instruction is inlined inside a caller, and
764 is null otherwise.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
765 :ref:`subprogram descriptor <format_subprograms>`.  This way the location
766 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
767 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
768
769 Now lets take another example.
770
771 .. code-block:: llvm
772
773   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
774     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
775
776 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
777 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !17`` attached to the intrinsic provides
778 scope information for the variable ``Z``.
779
780 .. code-block:: llvm
781
782   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 0, i32 0,
783                    i32 0}
784                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/t.c]
785   !17 = metadata !{i32 5, i32 0, metadata !16, null}
786
787 Here ``!15`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and
788 column number 0 inside of lexical scope ``!16``.  The lexical scope itself
789 resides inside of subprogram ``!4`` described above.
790
791 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
792 way to find instructions covered by a scope.
793
794 .. _ccxx_frontend:
795
796 C/C++ front-end specific debug information
797 ==========================================
798
799 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
800 that is effectively identical to `DWARF 3.0
801 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
802 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
803 generating standard dwarf information, and contains enough information for
804 non-dwarf targets to translate it as needed.
805
806 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
807 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
808 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
809 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
810 As support for debugging information gets added to the various LLVM
811 source-language front-ends, the information used should be documented here.
812
813 The following sections provide examples of various C/C++ constructs and the
814 debug information that would best describe those constructs.
815
816 C/C++ source file information
817 -----------------------------
818
819 Given the source files ``MySource.cpp`` and ``MyHeader.h`` located in the
820 directory ``/Users/mine/sources``, the following code:
821
822 .. code-block:: c
823
824   #include "MyHeader.h"
825
826   int main(int argc, char *argv[]) {
827     return 0;
828   }
829
830 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
831
832 .. code-block:: llvm
833
834   ...
835   ;;
836   ;; Define the compile unit for the main source file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
837   ;;
838   !0 = metadata !{
839     i32 786449,   ;; Tag
840     metadata !1,  ;; File/directory name
841     i32 4,        ;; Language Id
842     metadata !"clang version 3.4 ",
843     i1 false,     ;; Optimized compile unit
844     metadata !"", ;; Compiler flags
845     i32 0,        ;; Runtime version
846     metadata !2,  ;; Enumeration types
847     metadata !2,  ;; Retained types
848     metadata !3,  ;; Subprograms
849     metadata !2,  ;; Global variables
850     metadata !2,  ;; Imported entities (declarations and namespaces)
851     metadata !""  ;; Split debug filename
852   }
853
854   ;;
855   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
856   ;;
857   !1 = metadata !{
858     metadata !"MySource.cpp",
859     metadata !"/Users/mine/sources"
860   }
861   !5 = metadata !{
862     i32 786473, ;; Tag
863     metadata !1
864   }
865
866   ;;
867   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/Myheader.h"
868   ;;
869   !14 = metadata !{
870     i32 786473, ;; Tag
871     metadata !15
872   }
873   !15 = metadata !{
874     metadata !"./MyHeader.h",
875     metadata !"/Users/mine/sources",
876   }
877
878   ...
879
880 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
881 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
882 ``Instruction::getMetadata()`` and ``DILocation::getLineNumber()``.
883
884 .. code-block:: c++
885
886   if (MDNode *N = I->getMetadata("dbg")) {  // Here I is an LLVM instruction
887     DILocation Loc(N);                      // DILocation is in DebugInfo.h
888     unsigned Line = Loc.getLineNumber();
889     StringRef File = Loc.getFilename();
890     StringRef Dir = Loc.getDirectory();
891   }
892
893 C/C++ global variable information
894 ---------------------------------
895
896 Given an integer global variable declared as follows:
897
898 .. code-block:: c
899
900   int MyGlobal = 100;
901
902 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
903
904 .. code-block:: llvm
905
906   ;;
907   ;; Define the global itself.
908   ;;
909   %MyGlobal = global int 100
910   ...
911   ;;
912   ;; List of debug info of globals
913   ;;
914   !llvm.dbg.cu = !{!0}
915
916   ;; Define the compile unit.
917   !0 = metadata !{
918     i32 786449,                       ;; Tag
919     i32 0,                            ;; Context
920     i32 4,                            ;; Language
921     metadata !"foo.cpp",              ;; File
922     metadata !"/Volumes/Data/tmp",    ;; Directory
923     metadata !"clang version 3.1 ",   ;; Producer
924     i1 true,                          ;; Deprecated field
925     i1 false,                         ;; "isOptimized"?
926     metadata !"",                     ;; Flags
927     i32 0,                            ;; Runtime Version
928     metadata !1,                      ;; Enum Types
929     metadata !1,                      ;; Retained Types
930     metadata !1,                      ;; Subprograms
931     metadata !3,                      ;; Global Variables
932     metadata !1,                      ;; Imported entities
933     "",                               ;; Split debug filename
934   } ; [ DW_TAG_compile_unit ]
935
936   ;; The Array of Global Variables
937   !3 = metadata !{
938     metadata !4
939   }
940
941   ;;
942   ;; Define the global variable itself.
943   ;;
944   !4 = metadata !{
945     i32 786484,                        ;; Tag
946     i32 0,                             ;; Unused
947     null,                              ;; Unused
948     metadata !"MyGlobal",              ;; Name
949     metadata !"MyGlobal",              ;; Display Name
950     metadata !"",                      ;; Linkage Name
951     metadata !6,                       ;; File
952     i32 1,                             ;; Line
953     metadata !7,                       ;; Type
954     i32 0,                             ;; IsLocalToUnit
955     i32 1,                             ;; IsDefinition
956     i32* @MyGlobal,                    ;; LLVM-IR Value
957     null                               ;; Static member declaration
958   } ; [ DW_TAG_variable ]
959
960   ;;
961   ;; Define the file
962   ;;
963   !5 = metadata !{
964     metadata !"foo.cpp",               ;; File
965     metadata !"/Volumes/Data/tmp",     ;; Directory
966   }
967   !6 = metadata !{
968     i32 786473,                        ;; Tag
969     metadata !5                        ;; Unused
970   } ; [ DW_TAG_file_type ]
971
972   ;;
973   ;; Define the type
974   ;;
975   !7 = metadata !{
976     i32 786468,                         ;; Tag
977     null,                               ;; Unused
978     null,                               ;; Unused
979     metadata !"int",                    ;; Name
980     i32 0,                              ;; Line
981     i64 32,                             ;; Size in Bits
982     i64 32,                             ;; Align in Bits
983     i64 0,                              ;; Offset
984     i32 0,                              ;; Flags
985     i32 5                               ;; Encoding
986   } ; [ DW_TAG_base_type ]
987
988 C/C++ function information
989 --------------------------
990
991 Given a function declared as follows:
992
993 .. code-block:: c
994
995   int main(int argc, char *argv[]) {
996     return 0;
997   }
998
999 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1000
1001 .. code-block:: llvm
1002
1003   ;;
1004   ;; Define the anchor for subprograms.
1005   ;;
1006   !6 = metadata !{
1007     i32 786484,        ;; Tag
1008     metadata !1,       ;; File
1009     metadata !1,       ;; Context
1010     metadata !"main",  ;; Name
1011     metadata !"main",  ;; Display name
1012     metadata !"main",  ;; Linkage name
1013     i32 1,             ;; Line number
1014     metadata !4,       ;; Type
1015     i1 false,          ;; Is local
1016     i1 true,           ;; Is definition
1017     i32 0,             ;; Virtuality attribute, e.g. pure virtual function
1018     i32 0,             ;; Index into virtual table for C++ methods
1019     i32 0,             ;; Type that holds virtual table.
1020     i32 0,             ;; Flags
1021     i1 false,          ;; True if this function is optimized
1022     Function *,        ;; Pointer to llvm::Function
1023     null,              ;; Function template parameters
1024     null,              ;; List of function variables (emitted when optimizing)
1025     1                  ;; Line number of the opening '{' of the function
1026   }
1027   ;;
1028   ;; Define the subprogram itself.
1029   ;;
1030   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) {
1031   ...
1032   }
1033
1034 C/C++ basic types
1035 -----------------
1036
1037 The following are the basic type descriptors for C/C++ core types:
1038
1039 bool
1040 ^^^^
1041
1042 .. code-block:: llvm
1043
1044   !2 = metadata !{
1045     i32 786468,        ;; Tag
1046     null,              ;; File
1047     null,              ;; Context
1048     metadata !"bool",  ;; Name
1049     i32 0,             ;; Line number
1050     i64 8,             ;; Size in Bits
1051     i64 8,             ;; Align in Bits
1052     i64 0,             ;; Offset in Bits
1053     i32 0,             ;; Flags
1054     i32 2              ;; Encoding
1055   }
1056
1057 char
1058 ^^^^
1059
1060 .. code-block:: llvm
1061
1062   !2 = metadata !{
1063     i32 786468,        ;; Tag
1064     null,              ;; File
1065     null,              ;; Context
1066     metadata !"char",  ;; Name
1067     i32 0,             ;; Line number
1068     i64 8,             ;; Size in Bits
1069     i64 8,             ;; Align in Bits
1070     i64 0,             ;; Offset in Bits
1071     i32 0,             ;; Flags
1072     i32 6              ;; Encoding
1073   }
1074
1075 unsigned char
1076 ^^^^^^^^^^^^^
1077
1078 .. code-block:: llvm
1079
1080   !2 = metadata !{
1081     i32 786468,        ;; Tag
1082     null,              ;; File
1083     null,              ;; Context
1084     metadata !"unsigned char",
1085     i32 0,             ;; Line number
1086     i64 8,             ;; Size in Bits
1087     i64 8,             ;; Align in Bits
1088     i64 0,             ;; Offset in Bits
1089     i32 0,             ;; Flags
1090     i32 8              ;; Encoding
1091   }
1092
1093 short
1094 ^^^^^
1095
1096 .. code-block:: llvm
1097
1098   !2 = metadata !{
1099     i32 786468,        ;; Tag
1100     null,              ;; File
1101     null,              ;; Context
1102     metadata !"short int",
1103     i32 0,             ;; Line number
1104     i64 16,            ;; Size in Bits
1105     i64 16,            ;; Align in Bits
1106     i64 0,             ;; Offset in Bits
1107     i32 0,             ;; Flags
1108     i32 5              ;; Encoding
1109   }
1110
1111 unsigned short
1112 ^^^^^^^^^^^^^^
1113
1114 .. code-block:: llvm
1115
1116   !2 = metadata !{
1117     i32 786468,        ;; Tag
1118     null,              ;; File
1119     null,              ;; Context
1120     metadata !"short unsigned int",
1121     i32 0,             ;; Line number
1122     i64 16,            ;; Size in Bits
1123     i64 16,            ;; Align in Bits
1124     i64 0,             ;; Offset in Bits
1125     i32 0,             ;; Flags
1126     i32 7              ;; Encoding
1127   }
1128
1129 int
1130 ^^^
1131
1132 .. code-block:: llvm
1133
1134   !2 = metadata !{
1135     i32 786468,        ;; Tag
1136     null,              ;; File
1137     null,              ;; Context
1138     metadata !"int",   ;; Name
1139     i32 0,             ;; Line number
1140     i64 32,            ;; Size in Bits
1141     i64 32,            ;; Align in Bits
1142     i64 0,             ;; Offset in Bits
1143     i32 0,             ;; Flags
1144     i32 5              ;; Encoding
1145   }
1146
1147 unsigned int
1148 ^^^^^^^^^^^^
1149
1150 .. code-block:: llvm
1151
1152   !2 = metadata !{
1153     i32 786468,        ;; Tag
1154     null,              ;; File
1155     null,              ;; Context
1156     metadata !"unsigned int",
1157     i32 0,             ;; Line number
1158     i64 32,            ;; Size in Bits
1159     i64 32,            ;; Align in Bits
1160     i64 0,             ;; Offset in Bits
1161     i32 0,             ;; Flags
1162     i32 7              ;; Encoding
1163   }
1164
1165 long long
1166 ^^^^^^^^^
1167
1168 .. code-block:: llvm
1169
1170   !2 = metadata !{
1171     i32 786468,        ;; Tag
1172     null,              ;; File
1173     null,              ;; Context
1174     metadata !"long long int",
1175     i32 0,             ;; Line number
1176     i64 64,            ;; Size in Bits
1177     i64 64,            ;; Align in Bits
1178     i64 0,             ;; Offset in Bits
1179     i32 0,             ;; Flags
1180     i32 5              ;; Encoding
1181   }
1182
1183 unsigned long long
1184 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1185
1186 .. code-block:: llvm
1187
1188   !2 = metadata !{
1189     i32 786468,        ;; Tag
1190     null,              ;; File
1191     null,              ;; Context
1192     metadata !"long long unsigned int",
1193     i32 0,             ;; Line number
1194     i64 64,            ;; Size in Bits
1195     i64 64,            ;; Align in Bits
1196     i64 0,             ;; Offset in Bits
1197     i32 0,             ;; Flags
1198     i32 7              ;; Encoding
1199   }
1200
1201 float
1202 ^^^^^
1203
1204 .. code-block:: llvm
1205
1206   !2 = metadata !{
1207     i32 786468,        ;; Tag
1208     null,              ;; File
1209     null,              ;; Context
1210     metadata !"float",
1211     i32 0,             ;; Line number
1212     i64 32,            ;; Size in Bits
1213     i64 32,            ;; Align in Bits
1214     i64 0,             ;; Offset in Bits
1215     i32 0,             ;; Flags
1216     i32 4              ;; Encoding
1217   }
1218
1219 double
1220 ^^^^^^
1221
1222 .. code-block:: llvm
1223
1224   !2 = metadata !{
1225     i32 786468,        ;; Tag
1226     null,              ;; File
1227     null,              ;; Context
1228     metadata !"double",;; Name
1229     i32 0,             ;; Line number
1230     i64 64,            ;; Size in Bits
1231     i64 64,            ;; Align in Bits
1232     i64 0,             ;; Offset in Bits
1233     i32 0,             ;; Flags
1234     i32 4              ;; Encoding
1235   }
1236
1237 C/C++ derived types
1238 -------------------
1239
1240 Given the following as an example of C/C++ derived type:
1241
1242 .. code-block:: c
1243
1244   typedef const int *IntPtr;
1245
1246 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1247
1248 .. code-block:: llvm
1249
1250   ;;
1251   ;; Define the typedef "IntPtr".
1252   ;;
1253   !2 = metadata !{
1254     i32 786454,          ;; Tag
1255     metadata !3,         ;; File
1256     metadata !1,         ;; Context
1257     metadata !"IntPtr",  ;; Name
1258     i32 0,               ;; Line number
1259     i64 0,               ;; Size in bits
1260     i64 0,               ;; Align in bits
1261     i64 0,               ;; Offset in bits
1262     i32 0,               ;; Flags
1263     metadata !4          ;; Derived From type
1264   }
1265   ;;
1266   ;; Define the pointer type.
1267   ;;
1268   !4 = metadata !{
1269     i32 786447,          ;; Tag
1270     null,                ;; File
1271     null,                ;; Context
1272     metadata !"",        ;; Name
1273     i32 0,               ;; Line number
1274     i64 64,              ;; Size in bits
1275     i64 64,              ;; Align in bits
1276     i64 0,               ;; Offset in bits
1277     i32 0,               ;; Flags
1278     metadata !5          ;; Derived From type
1279   }
1280   ;;
1281   ;; Define the const type.
1282   ;;
1283   !5 = metadata !{
1284     i32 786470,          ;; Tag
1285     null,                ;; File
1286     null,                ;; Context
1287     metadata !"",        ;; Name
1288     i32 0,               ;; Line number
1289     i64 0,               ;; Size in bits
1290     i64 0,               ;; Align in bits
1291     i64 0,               ;; Offset in bits
1292     i32 0,               ;; Flags
1293     metadata !6          ;; Derived From type
1294   }
1295   ;;
1296   ;; Define the int type.
1297   ;;
1298   !6 = metadata !{
1299     i32 786468,          ;; Tag
1300     null,                ;; File
1301     null,                ;; Context
1302     metadata !"int",     ;; Name
1303     i32 0,               ;; Line number
1304     i64 32,              ;; Size in bits
1305     i64 32,              ;; Align in bits
1306     i64 0,               ;; Offset in bits
1307     i32 0,               ;; Flags
1308     i32 5                ;; Encoding
1309   }
1310
1311 C/C++ struct/union types
1312 ------------------------
1313
1314 Given the following as an example of C/C++ struct type:
1315
1316 .. code-block:: c
1317
1318   struct Color {
1319     unsigned Red;
1320     unsigned Green;
1321     unsigned Blue;
1322   };
1323
1324 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1325
1326 .. code-block:: llvm
1327
1328   ;;
1329   ;; Define basic type for unsigned int.
1330   ;;
1331   !5 = metadata !{
1332     i32 786468,        ;; Tag
1333     null,              ;; File
1334     null,              ;; Context
1335     metadata !"unsigned int",
1336     i32 0,             ;; Line number
1337     i64 32,            ;; Size in Bits
1338     i64 32,            ;; Align in Bits
1339     i64 0,             ;; Offset in Bits
1340     i32 0,             ;; Flags
1341     i32 7              ;; Encoding
1342   }
1343   ;;
1344   ;; Define composite type for struct Color.
1345   ;;
1346   !2 = metadata !{
1347     i32 786451,        ;; Tag
1348     metadata !1,       ;; Compile unit
1349     null,              ;; Context
1350     metadata !"Color", ;; Name
1351     i32 1,             ;; Line number
1352     i64 96,            ;; Size in bits
1353     i64 32,            ;; Align in bits
1354     i64 0,             ;; Offset in bits
1355     i32 0,             ;; Flags
1356     null,              ;; Derived From
1357     metadata !3,       ;; Elements
1358     i32 0,             ;; Runtime Language
1359     null,              ;; Base type containing the vtable pointer for this type
1360     null               ;; Template parameters
1361   }
1362
1363   ;;
1364   ;; Define the Red field.
1365   ;;
1366   !4 = metadata !{
1367     i32 786445,        ;; Tag
1368     metadata !1,       ;; File
1369     metadata !1,       ;; Context
1370     metadata !"Red",   ;; Name
1371     i32 2,             ;; Line number
1372     i64 32,            ;; Size in bits
1373     i64 32,            ;; Align in bits
1374     i64 0,             ;; Offset in bits
1375     i32 0,             ;; Flags
1376     metadata !5        ;; Derived From type
1377   }
1378
1379   ;;
1380   ;; Define the Green field.
1381   ;;
1382   !6 = metadata !{
1383     i32 786445,        ;; Tag
1384     metadata !1,       ;; File
1385     metadata !1,       ;; Context
1386     metadata !"Green", ;; Name
1387     i32 3,             ;; Line number
1388     i64 32,            ;; Size in bits
1389     i64 32,            ;; Align in bits
1390     i64 32,             ;; Offset in bits
1391     i32 0,             ;; Flags
1392     metadata !5        ;; Derived From type
1393   }
1394
1395   ;;
1396   ;; Define the Blue field.
1397   ;;
1398   !7 = metadata !{
1399     i32 786445,        ;; Tag
1400     metadata !1,       ;; File
1401     metadata !1,       ;; Context
1402     metadata !"Blue",  ;; Name
1403     i32 4,             ;; Line number
1404     i64 32,            ;; Size in bits
1405     i64 32,            ;; Align in bits
1406     i64 64,             ;; Offset in bits
1407     i32 0,             ;; Flags
1408     metadata !5        ;; Derived From type
1409   }
1410
1411   ;;
1412   ;; Define the array of fields used by the composite type Color.
1413   ;;
1414   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !6, metadata !7}
1415
1416 C/C++ enumeration types
1417 -----------------------
1418
1419 Given the following as an example of C/C++ enumeration type:
1420
1421 .. code-block:: c
1422
1423   enum Trees {
1424     Spruce = 100,
1425     Oak = 200,
1426     Maple = 300
1427   };
1428
1429 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1430
1431 .. code-block:: llvm
1432
1433   ;;
1434   ;; Define composite type for enum Trees
1435   ;;
1436   !2 = metadata !{
1437     i32 786436,        ;; Tag
1438     metadata !1,       ;; File
1439     metadata !1,       ;; Context
1440     metadata !"Trees", ;; Name
1441     i32 1,             ;; Line number
1442     i64 32,            ;; Size in bits
1443     i64 32,            ;; Align in bits
1444     i64 0,             ;; Offset in bits
1445     i32 0,             ;; Flags
1446     null,              ;; Derived From type
1447     metadata !3,       ;; Elements
1448     i32 0              ;; Runtime language
1449   }
1450
1451   ;;
1452   ;; Define the array of enumerators used by composite type Trees.
1453   ;;
1454   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !5, metadata !6}
1455
1456   ;;
1457   ;; Define Spruce enumerator.
1458   ;;
1459   !4 = metadata !{i32 786472, metadata !"Spruce", i64 100}
1460
1461   ;;
1462   ;; Define Oak enumerator.
1463   ;;
1464   !5 = metadata !{i32 786472, metadata !"Oak", i64 200}
1465
1466   ;;
1467   ;; Define Maple enumerator.
1468   ;;
1469   !6 = metadata !{i32 786472, metadata !"Maple", i64 300}
1470
1471 Debugging information format
1472 ============================
1473
1474 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1475 ----------------------------------------------------------
1476
1477 Introduction
1478 ^^^^^^^^^^^^
1479
1480 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1481 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1482 to let compiler synthesize accessor methods.
1483
1484 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1485 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1486 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1487 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1488 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1489 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1490 inspect Objective C properties.
1491
1492 Proposal
1493 ^^^^^^^^
1494
1495 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1496 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1497 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1498 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1499 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1500 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1501 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1502
1503 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1504 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1505 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1506 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1507
1508 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1509 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1510 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1511 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1512 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1513 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1514 back to the property it is backing.
1515
1516 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1517
1518 .. code-block:: objc
1519
1520   @interface I1 {
1521     int n2;
1522   }
1523
1524   @property int p1;
1525   @property int p2;
1526   @end
1527
1528   @implementation I1
1529   @synthesize p1;
1530   @synthesize p2 = n2;
1531   @end
1532
1533 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1534
1535 .. code-block:: none
1536
1537   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1538                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1539                  AT_name( "I1" )
1540                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1541                  AT_decl_line( 3 )
1542
1543   0x00000110    TAG_APPLE_property
1544                   AT_name ( "p1" )
1545                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1546
1547   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1548                   AT_name ( "p2" )
1549                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1550
1551   0x00000130:   TAG_member [8]
1552                   AT_name( "_p1" )
1553                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1554                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1555                   AT_artificial ( 0x1 )
1556
1557   0x00000140:    TAG_member [8]
1558                    AT_name( "n2" )
1559                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1560                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1561
1562   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1563
1564 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1565 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1566 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1567 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1568 directly.
1569
1570 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1571 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1572 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1573 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1574 current translation unit.
1575
1576 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1577 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1578
1579 .. code-block:: objc
1580
1581   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1582
1583 .. code-block:: none
1584
1585   TAG_APPLE_property [8]
1586     AT_name( "pr" )
1587     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1588     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1589
1590 The setter and getter method names are attached to the property using
1591 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1592
1593 .. code-block:: objc
1594
1595   @interface I1
1596   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1597   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1598   @end
1599
1600   @implementation I1
1601   @synthesize p3;
1602   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1603   @end
1604
1605 The DWARF for this would be:
1606
1607 .. code-block:: none
1608
1609   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1610                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1611                 AT_name( "I1" )
1612                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1613                 AT_decl_line( 3 )
1614
1615   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1616                     AT_name ( "p3" )
1617                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1618                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1619
1620   0x000003f3:     TAG_member [8]
1621                     AT_name( "_p3" )
1622                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1623                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1624                     AT_artificial ( 0x1 )
1625
1626 New DWARF Tags
1627 ^^^^^^^^^^^^^^
1628
1629 +-----------------------+--------+
1630 | TAG                   | Value  |
1631 +=======================+========+
1632 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1633 +-----------------------+--------+
1634
1635 New DWARF Attributes
1636 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1637
1638 +--------------------------------+--------+-----------+
1639 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1640 +================================+========+===========+
1641 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1642 +--------------------------------+--------+-----------+
1643 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1644 +--------------------------------+--------+-----------+
1645 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1646 +--------------------------------+--------+-----------+
1647 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1648 +--------------------------------+--------+-----------+
1649
1650 New DWARF Constants
1651 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1652
1653 +--------------------------------+-------+
1654 | Name                           | Value |
1655 +================================+=======+
1656 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readonly  | 0x1   |
1657 +--------------------------------+-------+
1658 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readwrite | 0x2   |
1659 +--------------------------------+-------+
1660 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_assign    | 0x4   |
1661 +--------------------------------+-------+
1662 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_retain    | 0x8   |
1663 +--------------------------------+-------+
1664 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_copy      | 0x10  |
1665 +--------------------------------+-------+
1666 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_nonatomic | 0x20  |
1667 +--------------------------------+-------+
1668
1669 Name Accelerator Tables
1670 -----------------------
1671
1672 Introduction
1673 ^^^^^^^^^^^^
1674
1675 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1676 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1677 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1678 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1679 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1680 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1681 clang.
1682
1683 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1684 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1685 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1686 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1687 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1688 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1689 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1690 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1691 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1692 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1693 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1694 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1695 se.
1696
1697 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1698 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1699 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1700 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1701 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1702 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1703 for large C++ programs.
1704
1705 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1706 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1707 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1708 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1709 need.
1710
1711 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1712 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1713 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1714 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1715 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1716 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1717 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1718 type of debugging experience greatly.
1719
1720 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1721 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1722 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1723 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1724 issues.  In order to solve these issues we need to:
1725
1726 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1727 * Lookups should be very fast
1728 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1729 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1730 * Strict rules for the contents of tables
1731
1732 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1733 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1734 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1735 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1736
1737 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1738 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1739 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1740 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1741 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1742
1743 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1744 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1745
1746 Hash Tables
1747 ^^^^^^^^^^^
1748
1749 Standard Hash Tables
1750 """"""""""""""""""""
1751
1752 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1753 bucket contents:
1754
1755 .. code-block:: none
1756
1757   .------------.
1758   |  HEADER    |
1759   |------------|
1760   |  BUCKETS   |
1761   |------------|
1762   |  DATA      |
1763   `------------'
1764
1765 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1766
1767 .. code-block:: none
1768
1769   .------------.
1770   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1771   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1772   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1773   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1774   |            | ...
1775   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1776   '------------'
1777
1778 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1779 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1780 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1781 for the current string value.
1782
1783 .. code-block:: none
1784
1785               .------------.
1786   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1787               | 0x12345678 | 32 bit hash
1788               | "erase"    | string value
1789               | data[n]    | HashData for this bucket
1790               |------------|
1791   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1792               | 0x29273623 | 32 bit hash
1793               | "dump"     | string value
1794               | data[n]    | HashData for this bucket
1795               |------------|
1796   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1797               | 0x82638293 | 32 bit hash
1798               | "main"     | string value
1799               | data[n]    | HashData for this bucket
1800               `------------'
1801
1802 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1803 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1804 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32 hash
1805 for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to the
1806 offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To do
1807 so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and skip
1808 to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1809 touching new cache pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All
1810 of these accesses then tell us that we didn't have a match.
1811
1812 Name Hash Tables
1813 """"""""""""""""
1814
1815 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1816 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1817 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1818 the data for all hash values:
1819
1820 .. code-block:: none
1821
1822   .-------------.
1823   |  HEADER     |
1824   |-------------|
1825   |  BUCKETS    |
1826   |-------------|
1827   |  HASHES     |
1828   |-------------|
1829   |  OFFSETS    |
1830   |-------------|
1831   |  DATA       |
1832   `-------------'
1833
1834 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1835 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1836 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1837 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1838 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1839 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1840 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1841 ``OFFSETS`` as:
1842
1843 .. code-block:: none
1844
1845   .-------------------------.
1846   |  HEADER.magic           | uint32_t
1847   |  HEADER.version         | uint16_t
1848   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1849   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1850   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1851   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1852   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1853   |-------------------------|
1854   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
1855   |-------------------------|
1856   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
1857   |-------------------------|
1858   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
1859   |-------------------------|
1860   |  ALL HASH DATA          |
1861   `-------------------------'
1862
1863 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1864 with:
1865
1866 .. code-block:: none
1867
1868               .------------.
1869               | HEADER     |
1870               |------------|
1871               |          0 | BUCKETS[0]
1872               |          2 | BUCKETS[1]
1873               |          5 | BUCKETS[2]
1874               |          6 | BUCKETS[3]
1875               |            | ...
1876               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1877               |------------|
1878               | 0x........ | HASHES[0]
1879               | 0x........ | HASHES[1]
1880               | 0x........ | HASHES[2]
1881               | 0x........ | HASHES[3]
1882               | 0x........ | HASHES[4]
1883               | 0x........ | HASHES[5]
1884               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1885               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1886               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1887               | 0x........ | HASHES[9]
1888               | 0x........ | HASHES[10]
1889               | 0x........ | HASHES[11]
1890               | 0x........ | HASHES[12]
1891               | 0x........ | HASHES[13]
1892               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1893               |------------|
1894               | 0x........ | OFFSETS[0]
1895               | 0x........ | OFFSETS[1]
1896               | 0x........ | OFFSETS[2]
1897               | 0x........ | OFFSETS[3]
1898               | 0x........ | OFFSETS[4]
1899               | 0x........ | OFFSETS[5]
1900               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1901               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1902               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1903               | 0x........ | OFFSETS[9]
1904               | 0x........ | OFFSETS[10]
1905               | 0x........ | OFFSETS[11]
1906               | 0x........ | OFFSETS[12]
1907               | 0x........ | OFFSETS[13]
1908               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1909               |------------|
1910               |            |
1911               |            |
1912               |            |
1913               |            |
1914               |            |
1915               |------------|
1916   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1917               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1918               | 0x........ | HashData[0]
1919               | 0x........ | HashData[1]
1920               | 0x........ | HashData[2]
1921               | 0x........ | HashData[3]
1922               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1923               |------------|
1924   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1925               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1926               | 0x........ | HashData[0]
1927               | 0x........ | HashData[1]
1928               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1929               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1930               | 0x........ | HashData[0]
1931               | 0x........ | HashData[1]
1932               | 0x........ | HashData[2]
1933               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1934               |------------|
1935   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1936               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1937               | 0x........ | HashData[0]
1938               | 0x........ | HashData[1]
1939               | 0x........ | HashData[2]
1940               | 0x........ | HashData[3]
1941               | 0x........ | HashData[4]
1942               | 0x........ | HashData[5]
1943               | 0x........ | HashData[6]
1944               | 0x........ | HashData[7]
1945               | 0x........ | HashData[8]
1946               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1947               `------------'
1948
1949 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1950 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1951 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1952 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1953 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1954 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1955 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1956 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1957 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1958 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1959 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1960 lines being accessed as small as possible.
1961
1962 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1963 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1964 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1965 collisions.
1966
1967 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1968
1969 Details
1970 ^^^^^^^
1971
1972 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1973 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1974 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1975 hash value.
1976
1977 Header Layout
1978 """""""""""""
1979
1980 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1981 header is:
1982
1983 .. code-block:: c
1984
1985   struct Header
1986   {
1987     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1988     uint16_t   version;         // Version number
1989     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1990     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1991     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1992     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1993                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1994                                 // include the size of the preceding fields
1995     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1996   };
1997
1998 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1999 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
2000 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
2001 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
2002 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
2003 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
2004 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
2005 The current values for the hash function enumerations include:
2006
2007 .. code-block:: c
2008
2009   enum HashFunctionType
2010   {
2011     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
2012   };
2013
2014 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
2015 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
2016 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
2017 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
2018 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
2019 this table.
2020
2021 Fixed Lookup
2022 """"""""""""
2023
2024 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
2025
2026 .. code-block:: c
2027
2028   struct FixedTable
2029   {
2030     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
2031     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
2032     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
2033   };
2034
2035 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
2036 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
2037 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
2038 array that points to the data for the hash value.
2039
2040 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
2041 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
2042 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
2043 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
2044
2045 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
2046 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
2047 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
2048 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
2049 for each name.
2050
2051 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
2052 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
2053 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
2054 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
2055 the data in each atom:
2056
2057 .. code-block:: c
2058
2059   enum AtomType
2060   {
2061     eAtomTypeNULL       = 0u,
2062     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
2063     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
2064     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
2065     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
2066     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
2067   };
2068
2069 The enumeration values and their meanings are:
2070
2071 .. code-block:: none
2072
2073   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
2074   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
2075   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
2076   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
2077   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
2078   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
2079
2080 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
2081 atom type data is encoded:
2082
2083 .. code-block:: c
2084
2085   struct Atom
2086   {
2087     uint16_t type;  // AtomType enum value
2088     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
2089   };
2090
2091 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
2092 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
2093 ``DW_FORM_`` definitions.
2094
2095 .. code-block:: c
2096
2097   struct HeaderData
2098   {
2099     uint32_t die_offset_base;
2100     uint32_t atom_count;
2101     Atoms    atoms[atom_count0];
2102   };
2103
2104 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
2105 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
2106 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
2107 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
2108 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
2109 should be interpreted.
2110
2111 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
2112 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
2113 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
2114 array to be:
2115
2116 .. code-block:: c
2117
2118   HeaderData.atom_count = 1;
2119   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
2120   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
2121
2122 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
2123 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
2124 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
2125 function for instance.  Future tables could include more information about the
2126 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
2127 or inlined.
2128
2129 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
2130 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
2131 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
2132 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
2133 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
2134 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
2135 DWARF parsing can be made much faster.
2136
2137 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
2138 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
2139 at the offset in the hash data consists of a triple:
2140
2141 .. code-block:: c
2142
2143   uint32_t str_offset
2144   uint32_t hash_data_count
2145   HashData[hash_data_count]
2146
2147 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
2148 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
2149
2150 .. code-block:: none
2151
2152   .------------.
2153   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2154   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2155   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2156   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2157   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2158   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2159   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2160   `------------'
2161
2162 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
2163
2164 .. code-block:: none
2165
2166   .------------.
2167   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2168   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2169   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2170   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2171   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2172   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2173   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
2174   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
2175   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2176   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2177   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2178   `------------'
2179
2180 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
2181 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
2182
2183 Contents
2184 ^^^^^^^^
2185
2186 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
2187 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
2188 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
2189
2190 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2191 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
2192 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
2193 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
2194 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
2195 static variables).  All global and static variables should be included,
2196 including those scoped within functions and classes.  For example using the
2197 following code:
2198
2199 .. code-block:: c
2200
2201   static int var = 0;
2202
2203   void f ()
2204   {
2205     static int var = 0;
2206   }
2207
2208 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
2209 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
2210 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
2211 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
2212 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
2213 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
2214 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
2215
2216 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2217 tag is one of:
2218
2219 * DW_TAG_array_type
2220 * DW_TAG_class_type
2221 * DW_TAG_enumeration_type
2222 * DW_TAG_pointer_type
2223 * DW_TAG_reference_type
2224 * DW_TAG_string_type
2225 * DW_TAG_structure_type
2226 * DW_TAG_subroutine_type
2227 * DW_TAG_typedef
2228 * DW_TAG_union_type
2229 * DW_TAG_ptr_to_member_type
2230 * DW_TAG_set_type
2231 * DW_TAG_subrange_type
2232 * DW_TAG_base_type
2233 * DW_TAG_const_type
2234 * DW_TAG_constant
2235 * DW_TAG_file_type
2236 * DW_TAG_namelist
2237 * DW_TAG_packed_type
2238 * DW_TAG_volatile_type
2239 * DW_TAG_restrict_type
2240 * DW_TAG_interface_type
2241 * DW_TAG_unspecified_type
2242 * DW_TAG_shared_type
2243
2244 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
2245 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
2246 value).  For example, using the following code:
2247
2248 .. code-block:: c
2249
2250   int main ()
2251   {
2252     int *b = 0;
2253     return *b;
2254   }
2255
2256 We get a few type DIEs:
2257
2258 .. code-block:: none
2259
2260   0x00000067:     TAG_base_type [5]
2261                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
2262                   AT_name( "int" )
2263                   AT_byte_size( 0x04 )
2264
2265   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
2266                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
2267                   AT_byte_size( 0x08 )
2268
2269 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
2270
2271 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
2272 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
2273 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
2274 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
2275 standard C++ library that demangles mangled names.
2276
2277
2278 Language Extensions and File Format Changes
2279 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2280
2281 Objective-C Extensions
2282 """"""""""""""""""""""
2283
2284 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
2285 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
2286 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
2287 entry is made for both the class name without the category, and for the class
2288 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
2289 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
2290 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
2291 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
2292 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
2293 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
2294 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
2295 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
2296 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
2297 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
2298 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
2299 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
2300 functions for a class + category name.  This table does not contain any
2301 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
2302 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
2303 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
2304
2305 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
2306 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
2307 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
2308 ("``stringWithCString:``").
2309
2310 Mach-O Changes
2311 """"""""""""""
2312
2313 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
2314 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
2315 names as follows:
2316
2317 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
2318 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
2319 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
2320 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
2321