Reapply r188119 now that the bug it exposed is fixed.
[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 globals 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 - Artifical, Private, Protected, Explicit, Prototyped.
299     i1,       ;; isOptimized
300     Function * , ;; Pointer to 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      ;; Unique ID to identify blocks from a template function
323   }
324
325 This descriptor provides debug information about nested blocks within a
326 subprogram.  The line number and column numbers are used to dinstinguish two
327 lexical blocks at same depth.
328
329 .. code-block:: llvm
330
331   !3 = metadata !{
332     i32,     ;; Tag = 11 (DW_TAG_lexical_block)
333     metadata,;; Source directory (including trailing slash) & file pair
334     metadata ;; Reference to the scope we're annotating with a file change
335   }
336
337 This descriptor provides a wrapper around a lexical scope to handle file
338 changes in the middle of a lexical block.
339
340 .. _format_basic_type:
341
342 Basic type descriptors
343 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
344
345 .. code-block:: llvm
346
347   !4 = metadata !{
348     i32,      ;; Tag = 36 (DW_TAG_base_type)
349     metadata,;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
350     metadata, ;; Reference to context
351     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
352     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
353     i64,      ;; Size in bits
354     i64,      ;; Alignment in bits
355     i64,      ;; Offset in bits
356     i32,      ;; Flags
357     i32       ;; DWARF type encoding
358   }
359
360 These descriptors define primitive types used in the code.  Example ``int``,
361 ``bool`` and ``float``.  The context provides the scope of the type, which is
362 usually the top level.  Since basic types are not usually user defined the
363 context and line number can be left as NULL and 0.  The size, alignment and
364 offset are expressed in bits and can be 64 bit values.  The alignment is used
365 to round the offset when embedded in a :ref:`composite type
366 <format_composite_type>` (example to keep float doubles on 64 bit boundaries).
367 The offset is the bit offset if embedded in a :ref:`composite type
368 <format_composite_type>`.
369
370 The type encoding provides the details of the type.  The values are typically
371 one of the following:
372
373 .. code-block:: llvm
374
375   DW_ATE_address       = 1
376   DW_ATE_boolean       = 2
377   DW_ATE_float         = 4
378   DW_ATE_signed        = 5
379   DW_ATE_signed_char   = 6
380   DW_ATE_unsigned      = 7
381   DW_ATE_unsigned_char = 8
382
383 .. _format_derived_type:
384
385 Derived type descriptors
386 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
387
388 .. code-block:: llvm
389
390   !5 = metadata !{
391     i32,      ;; Tag (see below)
392     metadata,;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
393     metadata, ;; Reference to context
394     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
395     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
396     i64,      ;; Size in bits
397     i64,      ;; Alignment in bits
398     i64,      ;; Offset in bits
399     i32,      ;; Flags to encode attributes, e.g. private
400     metadata, ;; Reference to type derived from
401     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property associated with
402               ;; Objective-C an ivar, or the type of which this
403               ;; pointer-to-member is pointing to members of.
404     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property getter selector.
405     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property setter selector.
406     i32       ;; (optional) Objective C property attributes.
407   }
408
409 These descriptors are used to define types derived from other types.  The value
410 of the tag varies depending on the meaning.  The following are possible tag
411 values:
412
413 .. code-block:: llvm
414
415   DW_TAG_formal_parameter   = 5
416   DW_TAG_member             = 13
417   DW_TAG_pointer_type       = 15
418   DW_TAG_reference_type     = 16
419   DW_TAG_typedef            = 22
420   DW_TAG_ptr_to_member_type = 31
421   DW_TAG_const_type         = 38
422   DW_TAG_volatile_type      = 53
423   DW_TAG_restrict_type      = 55
424
425 ``DW_TAG_member`` is used to define a member of a :ref:`composite type
426 <format_composite_type>` or :ref:`subprogram <format_subprograms>`.  The type
427 of the member is the :ref:`derived type <format_derived_type>`.
428 ``DW_TAG_formal_parameter`` is used to define a member which is a formal
429 argument of a subprogram.
430
431 ``DW_TAG_typedef`` is used to provide a name for the derived type.
432
433 ``DW_TAG_pointer_type``, ``DW_TAG_reference_type``, ``DW_TAG_const_type``,
434 ``DW_TAG_volatile_type`` and ``DW_TAG_restrict_type`` are used to qualify the
435 :ref:`derived type <format_derived_type>`.
436
437 :ref:`Derived type <format_derived_type>` location can be determined from the
438 context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in bits
439 and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
440 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`  (example to keep
441 float doubles on 64 bit boundaries.) The offset is the bit offset if embedded
442 in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
443
444 Note that the ``void *`` type is expressed as a type derived from NULL.
445
446 .. _format_composite_type:
447
448 Composite type descriptors
449 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
450
451 .. code-block:: llvm
452
453   !6 = metadata !{
454     i32,      ;; Tag (see below)
455     metadata,;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
456     metadata, ;; Reference to context
457     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
458     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
459     i64,      ;; Size in bits
460     i64,      ;; Alignment in bits
461     i64,      ;; Offset in bits
462     i32,      ;; Flags
463     metadata, ;; Reference to type derived from
464     metadata, ;; Reference to array of member descriptors
465     i32       ;; Runtime languages
466     metadata, ;; Base type containing the vtable pointer for this type
467     metadata  ;; Template parameters
468   }
469
470 These descriptors are used to define types that are composed of 0 or more
471 elements.  The value of the tag varies depending on the meaning.  The following
472 are possible tag values:
473
474 .. code-block:: llvm
475
476   DW_TAG_array_type       = 1
477   DW_TAG_enumeration_type = 4
478   DW_TAG_structure_type   = 19
479   DW_TAG_union_type       = 23
480   DW_TAG_subroutine_type  = 21
481   DW_TAG_inheritance      = 28
482
483 The vector flag indicates that an array type is a native packed vector.
484
485 The members of array types (tag = ``DW_TAG_array_type``) are
486 :ref:`subrange descriptors <format_subrange>`, each
487 representing the range of subscripts at that level of indexing.
488
489 The members of enumeration types (tag = ``DW_TAG_enumeration_type``) are
490 :ref:`enumerator descriptors <format_enumerator>`, each representing the
491 definition of enumeration value for the set.  All enumeration type descriptors
492 are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
493
494 The members of structure (tag = ``DW_TAG_structure_type``) or union (tag =
495 ``DW_TAG_union_type``) types are any one of the :ref:`basic
496 <format_basic_type>`, :ref:`derived <format_derived_type>` or :ref:`composite
497 <format_composite_type>` type descriptors, each representing a field member of
498 the structure or union.
499
500 For C++ classes (tag = ``DW_TAG_structure_type``), member descriptors provide
501 information about base classes, static members and member functions.  If a
502 member is a :ref:`derived type descriptor <format_derived_type>` and has a tag
503 of ``DW_TAG_inheritance``, then the type represents a base class.  If the member
504 of is a :ref:`global variable descriptor <format_global_variables>` then it
505 represents a static member.  And, if the member is a :ref:`subprogram
506 descriptor <format_subprograms>` then it represents a member function.  For
507 static members and member functions, ``getName()`` returns the members link or
508 the C++ mangled name.  ``getDisplayName()`` the simplied version of the name.
509
510 The first member of subroutine (tag = ``DW_TAG_subroutine_type``) type elements
511 is the return type for the subroutine.  The remaining elements are the formal
512 arguments to the subroutine.
513
514 :ref:`Composite type <format_composite_type>` location can be determined from
515 the context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in
516 bits and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
517 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>` (as an example, to
518 keep float doubles on 64 bit boundaries).  The offset is the bit offset if
519 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
520
521 .. _format_subrange:
522
523 Subrange descriptors
524 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
525
526 .. code-block:: llvm
527
528   !42 = metadata !{
529     i32,    ;; Tag = 33 (DW_TAG_subrange_type)
530     i64,    ;; Low value
531     i64     ;; High value
532   }
533
534 These descriptors are used to define ranges of array subscripts for an array
535 :ref:`composite type <format_composite_type>`.  The low value defines the lower
536 bounds typically zero for C/C++.  The high value is the upper bounds.  Values
537 are 64 bit.  ``High - Low + 1`` is the size of the array.  If ``Low > High``
538 the array bounds are not included in generated debugging information.
539
540 .. _format_enumerator:
541
542 Enumerator descriptors
543 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
544
545 .. code-block:: llvm
546
547   !6 = metadata !{
548     i32,      ;; Tag = 40 (DW_TAG_enumerator)
549     metadata, ;; Name
550     i64       ;; Value
551   }
552
553 These descriptors are used to define members of an enumeration :ref:`composite
554 type <format_composite_type>`, it associates the name to the value.
555
556 Local variables
557 ^^^^^^^^^^^^^^^
558
559 .. code-block:: llvm
560
561   !7 = metadata !{
562     i32,      ;; Tag (see below)
563     metadata, ;; Context
564     metadata, ;; Name
565     metadata, ;; Reference to file where defined
566     i32,      ;; 24 bit - Line number where defined
567               ;; 8 bit - Argument number. 1 indicates 1st argument.
568     metadata, ;; Type descriptor
569     i32,      ;; flags
570     metadata  ;; (optional) Reference to inline location
571   }
572
573 These descriptors are used to define variables local to a sub program.  The
574 value of the tag depends on the usage of the variable:
575
576 .. code-block:: llvm
577
578   DW_TAG_auto_variable   = 256
579   DW_TAG_arg_variable    = 257
580
581 An auto variable is any variable declared in the body of the function.  An
582 argument variable is any variable that appears as a formal argument to the
583 function.
584
585 The context is either the subprogram or block where the variable is defined.
586 Name the source variable name.  Context and line indicate where the variable
587 was defined.  Type descriptor defines the declared type of the variable.
588
589 .. _format_common_intrinsics:
590
591 Debugger intrinsic functions
592 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
593
594 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
595 provide debug information at various points in generated code.
596
597 ``llvm.dbg.declare``
598 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
599
600 .. code-block:: llvm
601
602   void %llvm.dbg.declare(metadata, metadata)
603
604 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
605 The first argument is metadata holding the alloca for the variable.  The second
606 argument is metadata containing a description of the variable.
607
608 ``llvm.dbg.value``
609 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
610
611 .. code-block:: llvm
612
613   void %llvm.dbg.value(metadata, i64, metadata)
614
615 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
616 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
617 argument is the offset in the user source variable where the new value is
618 written.  The third argument is metadata containing a description of the user
619 source variable.
620
621 Object lifetimes and scoping
622 ============================
623
624 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
625 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
626 example, variables are only live (readable and writable) within the source
627 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
628 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
629 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
630 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
631
632 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
633 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
634 following C fragment, for example:
635
636 .. code-block:: c
637
638   1.  void foo() {
639   2.    int X = 21;
640   3.    int Y = 22;
641   4.    {
642   5.      int Z = 23;
643   6.      Z = X;
644   7.    }
645   8.    X = Y;
646   9.  }
647
648 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
649
650 .. code-block:: llvm
651
652   define void @_Z3foov() #0 {
653   entry:
654     %X = alloca i32, align 4                        ; [#uses=3 type=i32*]
655     %Y = alloca i32, align 4                        ; [#uses=2 type=i32*]
656     %Z = alloca i32, align 4                        ; [#uses=2 type=i32*]
657     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !8), !dbg !10
658       ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
659     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !11        ; [debug line = 2:13]
660     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Y}, metadata !12), !dbg !13
661       ; [debug line = 3:7] [debug variable = Y]
662     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !14        ; [debug line = 3:13]
663     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
664       ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
665     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !18        ; [debug line = 5:15]
666     %0 = load i32* %X, align 4, !dbg !19            ; [#uses=1 type=i32] \
667       [debug line = 6:5]
668     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !19        ; [debug line = 6:5]
669     %1 = load i32* %Y, align 4, !dbg !20            ; [#uses=1 type=i32] \
670       [debug line = 8:3]
671     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !20        ; [debug line = 8:3]
672     ret void, !dbg !21                              ; [debug line = 9:1]
673   }
674
675   ; [#uses=3]
676   ; Function Attrs: nounwind readnone
677   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata) #1
678
679   attributes #0 = { optsize zeroext "less-precise-fpmad"="false"
680     "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf"="true"
681     "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false" "unsafe-fp-math"="false"
682     "use-soft-float"="false" }
683   attributes #1 = { nounwind readnone }
684
685   !llvm.dbg.cu = !{!0}
686   
687   !0 = metadata !{i32 786449, metadata !1, i32 12,
688                   metadata !"clang version 3.4 ", i1 false, metadata !"", i32 0,
689                   metadata !2, metadata !2, metadata !3, metadata !2,
690                   metadata !2, metadata !""} ; [ DW_TAG_compile_unit ] \
691                     [/private/tmp/foo.c] \
692                     [DW_LANG_C]
693   !1 = metadata !{metadata !"foo.c", metadata !"/private/tmp"}
694   !2 = metadata !{i32 0}
695   !3 = metadata !{metadata !4}
696   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
697                   metadata !"foo", metadata !"_Z3foov", i32 1, metadata !6,
698                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 256, i1 false,
699                   void ()* @_Z3foov, null, null, metadata !2, i32 1}
700                   ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
701   !5 = metadata !{i32 786473, metadata !1} ; [ DW_TAG_file_type ] \
702                     [/private/tmp/foo.c]
703   !6 = metadata !{i32 786453, i32 0, i32 0, metadata !"", i32 0, i64 0, i64 0,
704                   i64 0, i32 0, null, metadata !7, i32 0, i32 0}
705                   ; [ DW_TAG_subroutine_type ] \
706                     [line 0, size 0, align 0, offset 0] [from ]
707   !7 = metadata !{null}
708   !8 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"X", metadata !5, i32 2, \
709                   metadata !9, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [X] \
710                     [line 2]
711   !9 = metadata !{i32 786468, null, null, metadata !"int", i32 0, i64 32, \
712                   i64 32, i64 0, i32 0, i32 5} ; [ DW_TAG_base_type ] [int] \
713                     [line 0, size 32, align 32, offset 0, enc DW_ATE_signed]
714   !10 = metadata !{i32 2, i32 7, metadata !4, null}
715   !11 = metadata !{i32 2, i32 13, metadata !4, null}
716   !12 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"Y", metadata !5, i32 3, \
717                    metadata !9, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Y] \
718                      [line 3]
719   !13 = metadata !{i32 3, i32 7, metadata !4, null}
720   !14 = metadata !{i32 3, i32 13, metadata !4, null}
721   !15 = metadata !{i32 786688, metadata !16, metadata !"Z", metadata !5, i32 5, \
722                    metadata !9, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Z] \
723                      [line 5]
724   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 3, i32 0}
725                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/foo.c]
726   !17 = metadata !{i32 5, i32 9, metadata !16, null}
727   !18 = metadata !{i32 5, i32 15, metadata !16, null}
728   !19 = metadata !{i32 6, i32 5, metadata !16, null}
729   !20 = metadata !{i32 8, i32 3, metadata !4, null}
730   !21 = metadata !{i32 9, i32 1, metadata !4, null}
731
732 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
733 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
734 location information, which are attached to an instruction, are applied
735 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
736 variable definitions, and the code used to implement the function.
737
738 .. code-block:: llvm
739
740   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !8), !dbg !10
741     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
742
743 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
744 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !10`` attached to the intrinsic provides
745 scope information for the variable ``X``.
746
747 .. code-block:: llvm
748
749   !10 = metadata !{i32 2, i32 7, metadata !4, null}
750   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
751                   metadata !"foo", metadata !"_Z3foov", i32 1, metadata !6,
752                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 256, i1 false,
753                   void ()* @_Z3foov, null, null, metadata !2, i32 1}
754                   ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
755
756 Here ``!10`` is metadata providing location information.  It has four fields:
757 line number, column number, scope, and original scope.  The original scope
758 represents inline location if this instruction is inlined inside a caller, and
759 is null otherwise.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
760 :ref:`subprogram descriptor <format_subprograms>`.  This way the location
761 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
762 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
763
764 Now lets take another example.
765
766 .. code-block:: llvm
767
768   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
769     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
770
771 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
772 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !17`` attached to the intrinsic provides
773 scope information for the variable ``Z``.
774
775 .. code-block:: llvm
776
777   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 3, i32 0}
778                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/foo.c]
779   !17 = metadata !{i32 5, i32 9, metadata !16, null}
780
781 Here ``!15`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and
782 column number 9 inside of lexical scope ``!16``.  The lexical scope itself
783 resides inside of subprogram ``!4`` described above.
784
785 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
786 way to find instructions covered by a scope.
787
788 .. _ccxx_frontend:
789
790 C/C++ front-end specific debug information
791 ==========================================
792
793 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
794 that is effectively identical to `DWARF 3.0
795 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
796 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
797 generating standard dwarf information, and contains enough information for
798 non-dwarf targets to translate it as needed.
799
800 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
801 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
802 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
803 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
804 As support for debugging information gets added to the various LLVM
805 source-language front-ends, the information used should be documented here.
806
807 The following sections provide examples of various C/C++ constructs and the
808 debug information that would best describe those constructs.
809
810 C/C++ source file information
811 -----------------------------
812
813 Given the source files ``MySource.cpp`` and ``MyHeader.h`` located in the
814 directory ``/Users/mine/sources``, the following code:
815
816 .. code-block:: c
817
818   #include "MyHeader.h"
819
820   int main(int argc, char *argv[]) {
821     return 0;
822   }
823
824 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
825
826 .. code-block:: llvm
827
828   ...
829   ;;
830   ;; Define the compile unit for the main source file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
831   ;;
832   !0 = metadata !{
833     i32 786449,   ;; Tag
834     metadata !1,  ;; File/directory name
835     i32 4,        ;; Language Id
836     metadata !"clang version 3.4 ",
837     i1 false,     ;; Optimized compile unit
838     metadata !"", ;; Compiler flags
839     i32 0,        ;; Runtime version
840     metadata !2,  ;; Enumeration types
841     metadata !2,  ;; Retained types
842     metadata !3,  ;; Subprograms
843     metadata !2,  ;; Global variables
844     metadata !2,  ;; Imported entities (declarations and namespaces)
845     metadata !""  ;; Split debug filename
846   }
847
848   ;;
849   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
850   ;;
851   !1 = metadata !{
852     metadata !"MySource.cpp",
853     metadata !"/Users/mine/sources"
854   }
855   !5 = metadata !{
856     i32 786473, ;; Tag
857     metadata !1
858   }
859
860   ;;
861   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/Myheader.h"
862   ;;
863   !14 = metadata !{
864     i32 786473, ;; Tag
865     metadata !15
866   }
867   !15 = metadata !{
868     metadata !"./MyHeader.h",
869     metadata !"/Users/mine/sources",
870   }
871
872   ...
873
874 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
875 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
876 ``Instruction::getMetadata()`` and ``DILocation::getLineNumber()``.
877
878 .. code-block:: c++
879
880   if (MDNode *N = I->getMetadata("dbg")) {  // Here I is an LLVM instruction
881     DILocation Loc(N);                      // DILocation is in DebugInfo.h
882     unsigned Line = Loc.getLineNumber();
883     StringRef File = Loc.getFilename();
884     StringRef Dir = Loc.getDirectory();
885   }
886
887 C/C++ global variable information
888 ---------------------------------
889
890 Given an integer global variable declared as follows:
891
892 .. code-block:: c
893
894   int MyGlobal = 100;
895
896 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
897
898 .. code-block:: llvm
899
900   ;;
901   ;; Define the global itself.
902   ;;
903   %MyGlobal = global int 100
904   ...
905   ;;
906   ;; List of debug info of globals
907   ;;
908   !llvm.dbg.cu = !{!0}
909
910   ;; Define the compile unit.
911   !0 = metadata !{
912     i32 786449,                       ;; Tag
913     i32 0,                            ;; Context
914     i32 4,                            ;; Language
915     metadata !"foo.cpp",              ;; File
916     metadata !"/Volumes/Data/tmp",    ;; Directory
917     metadata !"clang version 3.1 ",   ;; Producer
918     i1 true,                          ;; Deprecated field
919     i1 false,                         ;; "isOptimized"?
920     metadata !"",                     ;; Flags
921     i32 0,                            ;; Runtime Version
922     metadata !1,                      ;; Enum Types
923     metadata !1,                      ;; Retained Types
924     metadata !1,                      ;; Subprograms
925     metadata !3,                      ;; Global Variables
926     metadata !1,                      ;; Imported entities
927     "",                               ;; Split debug filename
928   } ; [ DW_TAG_compile_unit ]
929
930   ;; The Array of Global Variables
931   !3 = metadata !{
932     metadata !4
933   }
934
935   ;;
936   ;; Define the global variable itself.
937   ;;
938   !4 = metadata !{
939     i32 786484,                        ;; Tag
940     i32 0,                             ;; Unused
941     null,                              ;; Unused
942     metadata !"MyGlobal",              ;; Name
943     metadata !"MyGlobal",              ;; Display Name
944     metadata !"",                      ;; Linkage Name
945     metadata !6,                       ;; File
946     i32 1,                             ;; Line
947     metadata !7,                       ;; Type
948     i32 0,                             ;; IsLocalToUnit
949     i32 1,                             ;; IsDefinition
950     i32* @MyGlobal,                    ;; LLVM-IR Value
951     null                               ;; Static member declaration
952   } ; [ DW_TAG_variable ]
953
954   ;;
955   ;; Define the file
956   ;;
957   !5 = metadata !{
958     metadata !"foo.cpp",               ;; File
959     metadata !"/Volumes/Data/tmp",     ;; Directory
960   }
961   !6 = metadata !{
962     i32 786473,                        ;; Tag
963     metadata !5                        ;; Unused
964   } ; [ DW_TAG_file_type ]
965
966   ;;
967   ;; Define the type
968   ;;
969   !7 = metadata !{
970     i32 786468,                         ;; Tag
971     null,                               ;; Unused
972     null,                               ;; Unused
973     metadata !"int",                    ;; Name
974     i32 0,                              ;; Line
975     i64 32,                             ;; Size in Bits
976     i64 32,                             ;; Align in Bits
977     i64 0,                              ;; Offset
978     i32 0,                              ;; Flags
979     i32 5                               ;; Encoding
980   } ; [ DW_TAG_base_type ]
981
982 C/C++ function information
983 --------------------------
984
985 Given a function declared as follows:
986
987 .. code-block:: c
988
989   int main(int argc, char *argv[]) {
990     return 0;
991   }
992
993 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
994
995 .. code-block:: llvm
996
997   ;;
998   ;; Define the anchor for subprograms.
999   ;;
1000   !6 = metadata !{
1001     i32 786484,        ;; Tag
1002     metadata !1,       ;; File
1003     metadata !1,       ;; Context
1004     metadata !"main",  ;; Name
1005     metadata !"main",  ;; Display name
1006     metadata !"main",  ;; Linkage name
1007     i32 1,             ;; Line number
1008     metadata !4,       ;; Type
1009     i1 false,          ;; Is local
1010     i1 true,           ;; Is definition
1011     i32 0,             ;; Virtuality attribute, e.g. pure virtual function
1012     i32 0,             ;; Index into virtual table for C++ methods
1013     i32 0,             ;; Type that holds virtual table.
1014     i32 0,             ;; Flags
1015     i1 false,          ;; True if this function is optimized
1016     Function *,        ;; Pointer to llvm::Function
1017     null,              ;; Function template parameters
1018     null,              ;; List of function variables (emitted when optimizing)
1019     1                  ;; Line number of the opening '{' of the function
1020   }
1021   ;;
1022   ;; Define the subprogram itself.
1023   ;;
1024   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) {
1025   ...
1026   }
1027
1028 C/C++ basic types
1029 -----------------
1030
1031 The following are the basic type descriptors for C/C++ core types:
1032
1033 bool
1034 ^^^^
1035
1036 .. code-block:: llvm
1037
1038   !2 = metadata !{
1039     i32 786468,        ;; Tag
1040     null,              ;; File
1041     null,              ;; Context
1042     metadata !"bool",  ;; Name
1043     i32 0,             ;; Line number
1044     i64 8,             ;; Size in Bits
1045     i64 8,             ;; Align in Bits
1046     i64 0,             ;; Offset in Bits
1047     i32 0,             ;; Flags
1048     i32 2              ;; Encoding
1049   }
1050
1051 char
1052 ^^^^
1053
1054 .. code-block:: llvm
1055
1056   !2 = metadata !{
1057     i32 786468,        ;; Tag
1058     null,              ;; File
1059     null,              ;; Context
1060     metadata !"char",  ;; Name
1061     i32 0,             ;; Line number
1062     i64 8,             ;; Size in Bits
1063     i64 8,             ;; Align in Bits
1064     i64 0,             ;; Offset in Bits
1065     i32 0,             ;; Flags
1066     i32 6              ;; Encoding
1067   }
1068
1069 unsigned char
1070 ^^^^^^^^^^^^^
1071
1072 .. code-block:: llvm
1073
1074   !2 = metadata !{
1075     i32 786468,        ;; Tag
1076     null,              ;; File
1077     null,              ;; Context
1078     metadata !"unsigned char",
1079     i32 0,             ;; Line number
1080     i64 8,             ;; Size in Bits
1081     i64 8,             ;; Align in Bits
1082     i64 0,             ;; Offset in Bits
1083     i32 0,             ;; Flags
1084     i32 8              ;; Encoding
1085   }
1086
1087 short
1088 ^^^^^
1089
1090 .. code-block:: llvm
1091
1092   !2 = metadata !{
1093     i32 786468,        ;; Tag
1094     null,              ;; File
1095     null,              ;; Context
1096     metadata !"short int",
1097     i32 0,             ;; Line number
1098     i64 16,            ;; Size in Bits
1099     i64 16,            ;; Align in Bits
1100     i64 0,             ;; Offset in Bits
1101     i32 0,             ;; Flags
1102     i32 5              ;; Encoding
1103   }
1104
1105 unsigned short
1106 ^^^^^^^^^^^^^^
1107
1108 .. code-block:: llvm
1109
1110   !2 = metadata !{
1111     i32 786468,        ;; Tag
1112     null,              ;; File
1113     null,              ;; Context
1114     metadata !"short unsigned int",
1115     i32 0,             ;; Line number
1116     i64 16,            ;; Size in Bits
1117     i64 16,            ;; Align in Bits
1118     i64 0,             ;; Offset in Bits
1119     i32 0,             ;; Flags
1120     i32 7              ;; Encoding
1121   }
1122
1123 int
1124 ^^^
1125
1126 .. code-block:: llvm
1127
1128   !2 = metadata !{
1129     i32 786468,        ;; Tag
1130     null,              ;; File
1131     null,              ;; Context
1132     metadata !"int",   ;; Name
1133     i32 0,             ;; Line number
1134     i64 32,            ;; Size in Bits
1135     i64 32,            ;; Align in Bits
1136     i64 0,             ;; Offset in Bits
1137     i32 0,             ;; Flags
1138     i32 5              ;; Encoding
1139   }
1140
1141 unsigned int
1142 ^^^^^^^^^^^^
1143
1144 .. code-block:: llvm
1145
1146   !2 = metadata !{
1147     i32 786468,        ;; Tag
1148     null,              ;; File
1149     null,              ;; Context
1150     metadata !"unsigned int",
1151     i32 0,             ;; Line number
1152     i64 32,            ;; Size in Bits
1153     i64 32,            ;; Align in Bits
1154     i64 0,             ;; Offset in Bits
1155     i32 0,             ;; Flags
1156     i32 7              ;; Encoding
1157   }
1158
1159 long long
1160 ^^^^^^^^^
1161
1162 .. code-block:: llvm
1163
1164   !2 = metadata !{
1165     i32 786468,        ;; Tag
1166     null,              ;; File
1167     null,              ;; Context
1168     metadata !"long long int",
1169     i32 0,             ;; Line number
1170     i64 64,            ;; Size in Bits
1171     i64 64,            ;; Align in Bits
1172     i64 0,             ;; Offset in Bits
1173     i32 0,             ;; Flags
1174     i32 5              ;; Encoding
1175   }
1176
1177 unsigned long long
1178 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1179
1180 .. code-block:: llvm
1181
1182   !2 = metadata !{
1183     i32 786468,        ;; Tag
1184     null,              ;; File
1185     null,              ;; Context
1186     metadata !"long long unsigned int",
1187     i32 0,             ;; Line number
1188     i64 64,            ;; Size in Bits
1189     i64 64,            ;; Align in Bits
1190     i64 0,             ;; Offset in Bits
1191     i32 0,             ;; Flags
1192     i32 7              ;; Encoding
1193   }
1194
1195 float
1196 ^^^^^
1197
1198 .. code-block:: llvm
1199
1200   !2 = metadata !{
1201     i32 786468,        ;; Tag
1202     null,              ;; File
1203     null,              ;; Context
1204     metadata !"float",
1205     i32 0,             ;; Line number
1206     i64 32,            ;; Size in Bits
1207     i64 32,            ;; Align in Bits
1208     i64 0,             ;; Offset in Bits
1209     i32 0,             ;; Flags
1210     i32 4              ;; Encoding
1211   }
1212
1213 double
1214 ^^^^^^
1215
1216 .. code-block:: llvm
1217
1218   !2 = metadata !{
1219     i32 786468,        ;; Tag
1220     null,              ;; File
1221     null,              ;; Context
1222     metadata !"double",;; Name
1223     i32 0,             ;; Line number
1224     i64 64,            ;; Size in Bits
1225     i64 64,            ;; Align in Bits
1226     i64 0,             ;; Offset in Bits
1227     i32 0,             ;; Flags
1228     i32 4              ;; Encoding
1229   }
1230
1231 C/C++ derived types
1232 -------------------
1233
1234 Given the following as an example of C/C++ derived type:
1235
1236 .. code-block:: c
1237
1238   typedef const int *IntPtr;
1239
1240 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1241
1242 .. code-block:: llvm
1243
1244   ;;
1245   ;; Define the typedef "IntPtr".
1246   ;;
1247   !2 = metadata !{
1248     i32 786454,          ;; Tag
1249     metadata !3,         ;; File
1250     metadata !1,         ;; Context
1251     metadata !"IntPtr",  ;; Name
1252     i32 0,               ;; Line number
1253     i64 0,               ;; Size in bits
1254     i64 0,               ;; Align in bits
1255     i64 0,               ;; Offset in bits
1256     i32 0,               ;; Flags
1257     metadata !4          ;; Derived From type
1258   }
1259   ;;
1260   ;; Define the pointer type.
1261   ;;
1262   !4 = metadata !{
1263     i32 786447,          ;; Tag
1264     null,                ;; File
1265     null,                ;; Context
1266     metadata !"",        ;; Name
1267     i32 0,               ;; Line number
1268     i64 64,              ;; Size in bits
1269     i64 64,              ;; Align in bits
1270     i64 0,               ;; Offset in bits
1271     i32 0,               ;; Flags
1272     metadata !5          ;; Derived From type
1273   }
1274   ;;
1275   ;; Define the const type.
1276   ;;
1277   !5 = metadata !{
1278     i32 786470,          ;; Tag
1279     null,                ;; File
1280     null,                ;; Context
1281     metadata !"",        ;; Name
1282     i32 0,               ;; Line number
1283     i64 0,               ;; Size in bits
1284     i64 0,               ;; Align in bits
1285     i64 0,               ;; Offset in bits
1286     i32 0,               ;; Flags
1287     metadata !6          ;; Derived From type
1288   }
1289   ;;
1290   ;; Define the int type.
1291   ;;
1292   !6 = metadata !{
1293     i32 786468,          ;; Tag
1294     null,                ;; File
1295     null,                ;; Context
1296     metadata !"int",     ;; Name
1297     i32 0,               ;; Line number
1298     i64 32,              ;; Size in bits
1299     i64 32,              ;; Align in bits
1300     i64 0,               ;; Offset in bits
1301     i32 0,               ;; Flags
1302     i32 5                ;; Encoding
1303   }
1304
1305 C/C++ struct/union types
1306 ------------------------
1307
1308 Given the following as an example of C/C++ struct type:
1309
1310 .. code-block:: c
1311
1312   struct Color {
1313     unsigned Red;
1314     unsigned Green;
1315     unsigned Blue;
1316   };
1317
1318 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1319
1320 .. code-block:: llvm
1321
1322   ;;
1323   ;; Define basic type for unsigned int.
1324   ;;
1325   !5 = metadata !{
1326     i32 786468,        ;; Tag
1327     null,              ;; File
1328     null,              ;; Context
1329     metadata !"unsigned int",
1330     i32 0,             ;; Line number
1331     i64 32,            ;; Size in Bits
1332     i64 32,            ;; Align in Bits
1333     i64 0,             ;; Offset in Bits
1334     i32 0,             ;; Flags
1335     i32 7              ;; Encoding
1336   }
1337   ;;
1338   ;; Define composite type for struct Color.
1339   ;;
1340   !2 = metadata !{
1341     i32 786451,        ;; Tag
1342     metadata !1,       ;; Compile unit
1343     null,              ;; Context
1344     metadata !"Color", ;; Name
1345     i32 1,             ;; Line number
1346     i64 96,            ;; Size in bits
1347     i64 32,            ;; Align in bits
1348     i64 0,             ;; Offset in bits
1349     i32 0,             ;; Flags
1350     null,              ;; Derived From
1351     metadata !3,       ;; Elements
1352     i32 0,             ;; Runtime Language
1353     null,              ;; Base type containing the vtable pointer for this type
1354     null               ;; Template parameters
1355   }
1356
1357   ;;
1358   ;; Define the Red field.
1359   ;;
1360   !4 = metadata !{
1361     i32 786445,        ;; Tag
1362     metadata !1,       ;; File
1363     metadata !1,       ;; Context
1364     metadata !"Red",   ;; Name
1365     i32 2,             ;; Line number
1366     i64 32,            ;; Size in bits
1367     i64 32,            ;; Align in bits
1368     i64 0,             ;; Offset in bits
1369     i32 0,             ;; Flags
1370     metadata !5        ;; Derived From type
1371   }
1372
1373   ;;
1374   ;; Define the Green field.
1375   ;;
1376   !6 = metadata !{
1377     i32 786445,        ;; Tag
1378     metadata !1,       ;; File
1379     metadata !1,       ;; Context
1380     metadata !"Green", ;; Name
1381     i32 3,             ;; Line number
1382     i64 32,            ;; Size in bits
1383     i64 32,            ;; Align in bits
1384     i64 32,             ;; Offset in bits
1385     i32 0,             ;; Flags
1386     metadata !5        ;; Derived From type
1387   }
1388
1389   ;;
1390   ;; Define the Blue field.
1391   ;;
1392   !7 = metadata !{
1393     i32 786445,        ;; Tag
1394     metadata !1,       ;; File
1395     metadata !1,       ;; Context
1396     metadata !"Blue",  ;; Name
1397     i32 4,             ;; Line number
1398     i64 32,            ;; Size in bits
1399     i64 32,            ;; Align in bits
1400     i64 64,             ;; Offset in bits
1401     i32 0,             ;; Flags
1402     metadata !5        ;; Derived From type
1403   }
1404
1405   ;;
1406   ;; Define the array of fields used by the composite type Color.
1407   ;;
1408   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !6, metadata !7}
1409
1410 C/C++ enumeration types
1411 -----------------------
1412
1413 Given the following as an example of C/C++ enumeration type:
1414
1415 .. code-block:: c
1416
1417   enum Trees {
1418     Spruce = 100,
1419     Oak = 200,
1420     Maple = 300
1421   };
1422
1423 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1424
1425 .. code-block:: llvm
1426
1427   ;;
1428   ;; Define composite type for enum Trees
1429   ;;
1430   !2 = metadata !{
1431     i32 786436,        ;; Tag
1432     metadata !1,       ;; File
1433     metadata !1,       ;; Context
1434     metadata !"Trees", ;; Name
1435     i32 1,             ;; Line number
1436     i64 32,            ;; Size in bits
1437     i64 32,            ;; Align in bits
1438     i64 0,             ;; Offset in bits
1439     i32 0,             ;; Flags
1440     null,              ;; Derived From type
1441     metadata !3,       ;; Elements
1442     i32 0              ;; Runtime language
1443   }
1444
1445   ;;
1446   ;; Define the array of enumerators used by composite type Trees.
1447   ;;
1448   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !5, metadata !6}
1449
1450   ;;
1451   ;; Define Spruce enumerator.
1452   ;;
1453   !4 = metadata !{i32 786472, metadata !"Spruce", i64 100}
1454
1455   ;;
1456   ;; Define Oak enumerator.
1457   ;;
1458   !5 = metadata !{i32 786472, metadata !"Oak", i64 200}
1459
1460   ;;
1461   ;; Define Maple enumerator.
1462   ;;
1463   !6 = metadata !{i32 786472, metadata !"Maple", i64 300}
1464
1465 Debugging information format
1466 ============================
1467
1468 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1469 ----------------------------------------------------------
1470
1471 Introduction
1472 ^^^^^^^^^^^^
1473
1474 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1475 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1476 to let compiler synthesize accessor methods.
1477
1478 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1479 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1480 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1481 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1482 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1483 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1484 inspect Objective C properties.
1485
1486 Proposal
1487 ^^^^^^^^
1488
1489 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1490 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1491 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1492 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1493 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1494 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1495 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1496
1497 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1498 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1499 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1500 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1501
1502 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1503 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1504 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1505 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1506 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1507 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1508 back to the property it is backing.
1509
1510 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1511
1512 .. code-block:: objc
1513
1514   @interface I1 {
1515     int n2;
1516   }
1517
1518   @property int p1;
1519   @property int p2;
1520   @end
1521
1522   @implementation I1
1523   @synthesize p1;
1524   @synthesize p2 = n2;
1525   @end
1526
1527 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1528
1529 .. code-block:: none
1530
1531   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1532                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1533                  AT_name( "I1" )
1534                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1535                  AT_decl_line( 3 )
1536
1537   0x00000110    TAG_APPLE_property
1538                   AT_name ( "p1" )
1539                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1540
1541   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1542                   AT_name ( "p2" )
1543                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1544
1545   0x00000130:   TAG_member [8]
1546                   AT_name( "_p1" )
1547                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1548                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1549                   AT_artificial ( 0x1 )
1550
1551   0x00000140:    TAG_member [8]
1552                    AT_name( "n2" )
1553                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1554                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1555
1556   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1557
1558 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1559 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1560 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1561 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1562 directly.
1563
1564 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1565 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1566 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1567 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1568 current translation unit.
1569
1570 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1571 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1572
1573 .. code-block:: objc
1574
1575   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1576
1577 .. code-block:: none
1578
1579   TAG_APPLE_property [8]
1580     AT_name( "pr" )
1581     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1582     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1583
1584 The setter and getter method names are attached to the property using
1585 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1586
1587 .. code-block:: objc
1588
1589   @interface I1
1590   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1591   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1592   @end
1593
1594   @implementation I1
1595   @synthesize p3;
1596   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1597   @end
1598
1599 The DWARF for this would be:
1600
1601 .. code-block:: none
1602
1603   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1604                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1605                 AT_name( "I1" )
1606                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1607                 AT_decl_line( 3 )
1608
1609   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1610                     AT_name ( "p3" )
1611                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1612                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1613
1614   0x000003f3:     TAG_member [8]
1615                     AT_name( "_p3" )
1616                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1617                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1618                     AT_artificial ( 0x1 )
1619
1620 New DWARF Tags
1621 ^^^^^^^^^^^^^^
1622
1623 +-----------------------+--------+
1624 | TAG                   | Value  |
1625 +=======================+========+
1626 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1627 +-----------------------+--------+
1628
1629 New DWARF Attributes
1630 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1631
1632 +--------------------------------+--------+-----------+
1633 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1634 +================================+========+===========+
1635 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1636 +--------------------------------+--------+-----------+
1637 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1638 +--------------------------------+--------+-----------+
1639 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1640 +--------------------------------+--------+-----------+
1641 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1642 +--------------------------------+--------+-----------+
1643
1644 New DWARF Constants
1645 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1646
1647 +--------------------------------+-------+
1648 | Name                           | Value |
1649 +================================+=======+
1650 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readonly  | 0x1   |
1651 +--------------------------------+-------+
1652 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readwrite | 0x2   |
1653 +--------------------------------+-------+
1654 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_assign    | 0x4   |
1655 +--------------------------------+-------+
1656 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_retain    | 0x8   |
1657 +--------------------------------+-------+
1658 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_copy      | 0x10  |
1659 +--------------------------------+-------+
1660 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_nonatomic | 0x20  |
1661 +--------------------------------+-------+
1662
1663 Name Accelerator Tables
1664 -----------------------
1665
1666 Introduction
1667 ^^^^^^^^^^^^
1668
1669 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1670 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1671 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1672 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1673 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1674 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1675 clang.
1676
1677 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1678 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1679 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1680 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1681 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1682 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1683 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1684 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1685 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1686 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1687 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1688 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1689 se.
1690
1691 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1692 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1693 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1694 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1695 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1696 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1697 for large C++ programs.
1698
1699 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1700 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1701 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1702 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1703 need.
1704
1705 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1706 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1707 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1708 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1709 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1710 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1711 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1712 type of debugging experience greatly.
1713
1714 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1715 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1716 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1717 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1718 issues.  In order to solve these issues we need to:
1719
1720 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1721 * Lookups should be very fast
1722 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1723 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1724 * Strict rules for the contents of tables
1725
1726 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1727 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1728 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1729 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1730
1731 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1732 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1733 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1734 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1735 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1736
1737 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1738 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1739
1740 Hash Tables
1741 ^^^^^^^^^^^
1742
1743 Standard Hash Tables
1744 """"""""""""""""""""
1745
1746 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1747 bucket contents:
1748
1749 .. code-block:: none
1750
1751   .------------.
1752   |  HEADER    |
1753   |------------|
1754   |  BUCKETS   |
1755   |------------|
1756   |  DATA      |
1757   `------------'
1758
1759 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1760
1761 .. code-block:: none
1762
1763   .------------.
1764   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1765   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1766   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1767   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1768   |            | ...
1769   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1770   '------------'
1771
1772 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1773 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1774 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1775 for the current string value.
1776
1777 .. code-block:: none
1778
1779               .------------.
1780   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1781               | 0x12345678 | 32 bit hash
1782               | "erase"    | string value
1783               | data[n]    | HashData for this bucket
1784               |------------|
1785   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1786               | 0x29273623 | 32 bit hash
1787               | "dump"     | string value
1788               | data[n]    | HashData for this bucket
1789               |------------|
1790   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1791               | 0x82638293 | 32 bit hash
1792               | "main"     | string value
1793               | data[n]    | HashData for this bucket
1794               `------------'
1795
1796 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1797 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1798 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32 hash
1799 for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to the
1800 offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To do
1801 so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and skip
1802 to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1803 touching new cache pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All
1804 of these accesses then tell us that we didn't have a match.
1805
1806 Name Hash Tables
1807 """"""""""""""""
1808
1809 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1810 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1811 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1812 the data for all hash values:
1813
1814 .. code-block:: none
1815
1816   .-------------.
1817   |  HEADER     |
1818   |-------------|
1819   |  BUCKETS    |
1820   |-------------|
1821   |  HASHES     |
1822   |-------------|
1823   |  OFFSETS    |
1824   |-------------|
1825   |  DATA       |
1826   `-------------'
1827
1828 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1829 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1830 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1831 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1832 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1833 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1834 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1835 ``OFFSETS`` as:
1836
1837 .. code-block:: none
1838
1839   .-------------------------.
1840   |  HEADER.magic           | uint32_t
1841   |  HEADER.version         | uint16_t
1842   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1843   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1844   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1845   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1846   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1847   |-------------------------|
1848   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
1849   |-------------------------|
1850   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
1851   |-------------------------|
1852   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
1853   |-------------------------|
1854   |  ALL HASH DATA          |
1855   `-------------------------'
1856
1857 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1858 with:
1859
1860 .. code-block:: none
1861
1862               .------------.
1863               | HEADER     |
1864               |------------|
1865               |          0 | BUCKETS[0]
1866               |          2 | BUCKETS[1]
1867               |          5 | BUCKETS[2]
1868               |          6 | BUCKETS[3]
1869               |            | ...
1870               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1871               |------------|
1872               | 0x........ | HASHES[0]
1873               | 0x........ | HASHES[1]
1874               | 0x........ | HASHES[2]
1875               | 0x........ | HASHES[3]
1876               | 0x........ | HASHES[4]
1877               | 0x........ | HASHES[5]
1878               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1879               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1880               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1881               | 0x........ | HASHES[9]
1882               | 0x........ | HASHES[10]
1883               | 0x........ | HASHES[11]
1884               | 0x........ | HASHES[12]
1885               | 0x........ | HASHES[13]
1886               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1887               |------------|
1888               | 0x........ | OFFSETS[0]
1889               | 0x........ | OFFSETS[1]
1890               | 0x........ | OFFSETS[2]
1891               | 0x........ | OFFSETS[3]
1892               | 0x........ | OFFSETS[4]
1893               | 0x........ | OFFSETS[5]
1894               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1895               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1896               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1897               | 0x........ | OFFSETS[9]
1898               | 0x........ | OFFSETS[10]
1899               | 0x........ | OFFSETS[11]
1900               | 0x........ | OFFSETS[12]
1901               | 0x........ | OFFSETS[13]
1902               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1903               |------------|
1904               |            |
1905               |            |
1906               |            |
1907               |            |
1908               |            |
1909               |------------|
1910   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1911               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1912               | 0x........ | HashData[0]
1913               | 0x........ | HashData[1]
1914               | 0x........ | HashData[2]
1915               | 0x........ | HashData[3]
1916               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1917               |------------|
1918   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1919               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1920               | 0x........ | HashData[0]
1921               | 0x........ | HashData[1]
1922               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1923               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1924               | 0x........ | HashData[0]
1925               | 0x........ | HashData[1]
1926               | 0x........ | HashData[2]
1927               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1928               |------------|
1929   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1930               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1931               | 0x........ | HashData[0]
1932               | 0x........ | HashData[1]
1933               | 0x........ | HashData[2]
1934               | 0x........ | HashData[3]
1935               | 0x........ | HashData[4]
1936               | 0x........ | HashData[5]
1937               | 0x........ | HashData[6]
1938               | 0x........ | HashData[7]
1939               | 0x........ | HashData[8]
1940               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1941               `------------'
1942
1943 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1944 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1945 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1946 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1947 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1948 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1949 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1950 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1951 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1952 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1953 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1954 lines being accessed as small as possible.
1955
1956 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1957 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1958 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1959 collisions.
1960
1961 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1962
1963 Details
1964 ^^^^^^^
1965
1966 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1967 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1968 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1969 hash value.
1970
1971 Header Layout
1972 """""""""""""
1973
1974 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1975 header is:
1976
1977 .. code-block:: c
1978
1979   struct Header
1980   {
1981     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1982     uint16_t   version;         // Version number
1983     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1984     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1985     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1986     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1987                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1988                                 // include the size of the preceding fields
1989     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1990   };
1991
1992 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1993 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1994 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1995 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1996 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1997 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1998 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1999 The current values for the hash function enumerations include:
2000
2001 .. code-block:: c
2002
2003   enum HashFunctionType
2004   {
2005     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
2006   };
2007
2008 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
2009 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
2010 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
2011 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
2012 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
2013 this table.
2014
2015 Fixed Lookup
2016 """"""""""""
2017
2018 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
2019
2020 .. code-block:: c
2021
2022   struct FixedTable
2023   {
2024     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
2025     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
2026     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
2027   };
2028
2029 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
2030 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
2031 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
2032 array that points to the data for the hash value.
2033
2034 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
2035 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
2036 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
2037 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
2038
2039 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
2040 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
2041 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
2042 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
2043 for each name.
2044
2045 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
2046 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
2047 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
2048 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
2049 the data in each atom:
2050
2051 .. code-block:: c
2052
2053   enum AtomType
2054   {
2055     eAtomTypeNULL       = 0u,
2056     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
2057     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
2058     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
2059     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
2060     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
2061   };
2062
2063 The enumeration values and their meanings are:
2064
2065 .. code-block:: none
2066
2067   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
2068   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
2069   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
2070   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
2071   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
2072   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
2073
2074 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
2075 atom type data is encoded:
2076
2077 .. code-block:: c
2078
2079   struct Atom
2080   {
2081     uint16_t type;  // AtomType enum value
2082     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
2083   };
2084
2085 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
2086 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
2087 ``DW_FORM_`` definitions.
2088
2089 .. code-block:: c
2090
2091   struct HeaderData
2092   {
2093     uint32_t die_offset_base;
2094     uint32_t atom_count;
2095     Atoms    atoms[atom_count0];
2096   };
2097
2098 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
2099 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
2100 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
2101 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
2102 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
2103 should be interpreted.
2104
2105 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
2106 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
2107 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
2108 array to be:
2109
2110 .. code-block:: c
2111
2112   HeaderData.atom_count = 1;
2113   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
2114   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
2115
2116 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
2117 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
2118 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
2119 function for instance.  Future tables could include more information about the
2120 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
2121 or inlined.
2122
2123 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
2124 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
2125 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
2126 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
2127 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
2128 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
2129 DWARF parsing can be made much faster.
2130
2131 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
2132 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
2133 at the offset in the hash data consists of a triple:
2134
2135 .. code-block:: c
2136
2137   uint32_t str_offset
2138   uint32_t hash_data_count
2139   HashData[hash_data_count]
2140
2141 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
2142 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
2143
2144 .. code-block:: none
2145
2146   .------------.
2147   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2148   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2149   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2150   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2151   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2152   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2153   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2154   `------------'
2155
2156 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
2157
2158 .. code-block:: none
2159
2160   .------------.
2161   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2162   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2163   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2164   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2165   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2166   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2167   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
2168   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
2169   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2170   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2171   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2172   `------------'
2173
2174 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
2175 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
2176
2177 Contents
2178 ^^^^^^^^
2179
2180 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
2181 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
2182 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
2183
2184 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2185 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
2186 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
2187 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
2188 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
2189 static variables).  All global and static variables should be included,
2190 including those scoped within functions and classes.  For example using the
2191 following code:
2192
2193 .. code-block:: c
2194
2195   static int var = 0;
2196
2197   void f ()
2198   {
2199     static int var = 0;
2200   }
2201
2202 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
2203 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
2204 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
2205 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
2206 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
2207 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
2208 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
2209
2210 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2211 tag is one of:
2212
2213 * DW_TAG_array_type
2214 * DW_TAG_class_type
2215 * DW_TAG_enumeration_type
2216 * DW_TAG_pointer_type
2217 * DW_TAG_reference_type
2218 * DW_TAG_string_type
2219 * DW_TAG_structure_type
2220 * DW_TAG_subroutine_type
2221 * DW_TAG_typedef
2222 * DW_TAG_union_type
2223 * DW_TAG_ptr_to_member_type
2224 * DW_TAG_set_type
2225 * DW_TAG_subrange_type
2226 * DW_TAG_base_type
2227 * DW_TAG_const_type
2228 * DW_TAG_constant
2229 * DW_TAG_file_type
2230 * DW_TAG_namelist
2231 * DW_TAG_packed_type
2232 * DW_TAG_volatile_type
2233 * DW_TAG_restrict_type
2234 * DW_TAG_interface_type
2235 * DW_TAG_unspecified_type
2236 * DW_TAG_shared_type
2237
2238 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
2239 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
2240 value).  For example, using the following code:
2241
2242 .. code-block:: c
2243
2244   int main ()
2245   {
2246     int *b = 0;
2247     return *b;
2248   }
2249
2250 We get a few type DIEs:
2251
2252 .. code-block:: none
2253
2254   0x00000067:     TAG_base_type [5]
2255                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
2256                   AT_name( "int" )
2257                   AT_byte_size( 0x04 )
2258
2259   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
2260                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
2261                   AT_byte_size( 0x08 )
2262
2263 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
2264
2265 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
2266 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
2267 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
2268 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
2269 standard C++ library that demangles mangled names.
2270
2271
2272 Language Extensions and File Format Changes
2273 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2274
2275 Objective-C Extensions
2276 """"""""""""""""""""""
2277
2278 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
2279 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
2280 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
2281 entry is made for both the class name without the category, and for the class
2282 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
2283 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
2284 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
2285 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
2286 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
2287 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
2288 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
2289 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
2290 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
2291 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
2292 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
2293 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
2294 functions for a class + category name.  This table does not contain any
2295 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
2296 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
2297 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
2298
2299 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
2300 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
2301 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
2302 ("``stringWithCString:``").
2303
2304 Mach-O Changes
2305 """"""""""""""
2306
2307 The sections names for the apple hash tables are for non mach-o files.  For
2308 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
2309 names as follows:
2310
2311 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
2312 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
2313 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
2314 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
2315