Documentation updates for pointer-to-member debug info added in r171698.
[oota-llvm.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
4
5 .. sectionauthor:: Chris Lattner <sabre@nondot.org> and Jim Laskey <jlaskey@mac.com>
6
7 .. contents::
8    :local:
9
10 Introduction
11 ============
12
13 This document is the central repository for all information pertaining to debug
14 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
15 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
16 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
17 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
18
19 Philosophy behind LLVM debugging information
20 --------------------------------------------
21
22 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
23 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
24 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
25 important ones are:
26
27 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
28   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
29   be modified because of debugging information.
30
31 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
32   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
33
34 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
35   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
36   the source-level-language.
37
38 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
39   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
40   and the debugging information should work with any language.
41
42 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
43   to compile a program to native machine code and standard debugging
44   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
45   debuggers, like GDB or DBX.
46
47 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
48 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` to define a mapping
49 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
50 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
51 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
52 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
53 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
54
55 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
56 the stored debug information into source-language specific information.  As
57 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
58 specific language or family of languages.
59
60 Debug information consumers
61 ---------------------------
62
63 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
64 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
65 user a relationship between generated code and the original program source
66 code.
67
68 Currently, debug information is consumed by DwarfDebug to produce dwarf
69 information used by the gdb debugger.  Other targets could use the same
70 information to produce stabs or other debug forms.
71
72 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
73 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
74 source from generated code.
75
76 TODO - expound a bit more.
77
78 .. _intro_debugopt:
79
80 Debugging optimized code
81 ------------------------
82
83 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
84 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
85 information provides the following guarantees:
86
87 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
88   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
89   optimizations have been run, and without any modification to the
90   optimizations themselves.  However, some optimizations may impact the
91   ability to modify the current state of the program with a debugger, such
92   as setting program variables, or calling functions that have been
93   deleted.
94
95 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of the LLVM
96   debugging information, allowing them to update the debugging information
97   as they perform aggressive optimizations.  This means that, with effort,
98   the LLVM optimizers could optimize debug code just as well as non-debug
99   code.
100
101 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
102   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
103   tail duplication, etc).
104
105 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
106   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
107   information is automatically merged by the linker, and unused information
108   is automatically removed.
109
110 Basically, the debug information allows you to compile a program with
111 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
112 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
113 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
114 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
115 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
116 and call functions where were optimized out of the program, or inlined away
117 completely.
118
119 :ref:`LLVM test suite <test-suite-quickstart>` provides a framework to test
120 optimizer's handling of debugging information.  It can be run like this:
121
122 .. code-block:: bash
123
124   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
125   % make TEST=dbgopt
126
127 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
128 debugging information influences optimization passes then it will be reported
129 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
130 infrastructure and how to run various tests.
131
132 .. _format:
133
134 Debugging information format
135 ============================
136
137 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
138 the optimizer to optimize the program and debugging information without
139 necessarily having to know anything about debugging information.  In
140 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
141 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
142 debugging information for a function if it decides to delete the function.
143
144 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
145 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
146 in the form of LLVM metadata.
147
148 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
149 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
150 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
151 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
152 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
153 debugger to interpret the information.
154
155 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
156 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
157 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
158 exist are :ref:`source files <format_files>`, and :ref:`program objects
159 <format_global_variables>`.  These abstract objects are used by a debugger to
160 form stack traces, show information about local variables, etc.
161
162 This section of the documentation first describes the representation aspects
163 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
164 conventions used by the C and C++ front-ends.
165
166 Debug information descriptors
167 -----------------------------
168
169 In consideration of the complexity and volume of debug information, LLVM
170 provides a specification for well formed debug descriptors.
171
172 Consumers of LLVM debug information expect the descriptors for program objects
173 to start in a canonical format, but the descriptors can include additional
174 information appended at the end that is source-language specific.  All LLVM
175 debugging information is versioned, allowing backwards compatibility in the
176 case that the core structures need to change in some way.  Also, all debugging
177 information objects start with a tag to indicate what type of object it is.
178 The source-language is allowed to define its own objects, by using unreserved
179 tag numbers.  We recommend using with tags in the range 0x1000 through 0x2000
180 (there is a defined ``enum DW_TAG_user_base = 0x1000``.)
181
182 The fields of debug descriptors used internally by LLVM are restricted to only
183 the simple data types ``i32``, ``i1``, ``float``, ``double``, ``mdstring`` and
184 ``mdnode``.
185
186 .. code-block:: llvm
187
188   !1 = metadata !{
189     i32,   ;; A tag
190     ...
191   }
192
193 <a name="LLVMDebugVersion">The first field of a descriptor is always an
194 ``i32`` containing a tag value identifying the content of the descriptor.
195 The remaining fields are specific to the descriptor.  The values of tags are
196 loosely bound to the tag values of DWARF information entries.  However, that
197 does not restrict the use of the information supplied to DWARF targets.  To
198 facilitate versioning of debug information, the tag is augmented with the
199 current debug version (``LLVMDebugVersion = 8 << 16`` or 0x80000 or
200 524288.)
201
202 The details of the various descriptors follow.
203
204 Compile unit descriptors
205 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
206
207 .. code-block:: llvm
208
209   !0 = metadata !{
210     i32,       ;; Tag = 17 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_compile_unit)
211     i32,       ;; Unused field.
212     i32,       ;; DWARF language identifier (ex. DW_LANG_C89)
213     metadata,  ;; Source file name
214     metadata,  ;; Source file directory (includes trailing slash)
215     metadata   ;; Producer (ex. "4.0.1 LLVM (LLVM research group)")
216     i1,        ;; True if this is a main compile unit.
217     i1,        ;; True if this is optimized.
218     metadata,  ;; Flags
219     i32        ;; Runtime version
220     metadata   ;; List of enums types
221     metadata   ;; List of retained types
222     metadata   ;; List of subprograms
223     metadata   ;; List of global variables
224   }
225
226 These descriptors contain a source language ID for the file (we use the DWARF
227 3.0 ID numbers, such as ``DW_LANG_C89``, ``DW_LANG_C_plus_plus``,
228 ``DW_LANG_Cobol74``, etc), three strings describing the filename, working
229 directory of the compiler, and an identifier string for the compiler that
230 produced it.
231
232 Compile unit descriptors provide the root context for objects declared in a
233 specific compilation unit.  File descriptors are defined using this context.
234 These descriptors are collected by a named metadata ``!llvm.dbg.cu``.  They
235 keep track of subprograms, global variables and type information.
236
237 .. _format_files:
238
239 File descriptors
240 ^^^^^^^^^^^^^^^^
241
242 .. code-block:: llvm
243
244   !0 = metadata !{
245     i32,       ;; Tag = 41 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_file_type)
246     metadata,  ;; Source file name
247     metadata,  ;; Source file directory (includes trailing slash)
248     metadata   ;; Unused
249   }
250
251 These descriptors contain information for a file.  Global variables and top
252 level functions would be defined using this context.  File descriptors also
253 provide context for source line correspondence.
254
255 Each input file is encoded as a separate file descriptor in LLVM debugging
256 information output.
257
258 .. _format_global_variables:
259
260 Global variable descriptors
261 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
262
263 .. code-block:: llvm
264
265   !1 = metadata !{
266     i32,      ;; Tag = 52 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_variable)
267     i32,      ;; Unused field.
268     metadata, ;; Reference to context descriptor
269     metadata, ;; Name
270     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
271     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
272     metadata, ;; Reference to file where defined
273     i32,      ;; Line number where defined
274     metadata, ;; Reference to type descriptor
275     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
276     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
277     {}*       ;; Reference to the global variable
278   }
279
280 These descriptors provide debug information about globals variables.  They
281 provide details such as name, type and where the variable is defined.  All
282 global variables are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
283
284 .. _format_subprograms:
285
286 Subprogram descriptors
287 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
288
289 .. code-block:: llvm
290
291   !2 = metadata !{
292     i32,      ;; Tag = 46 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_subprogram)
293     i32,      ;; Unused field.
294     metadata, ;; Reference to context descriptor
295     metadata, ;; Name
296     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
297     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
298     metadata, ;; Reference to file where defined
299     i32,      ;; Line number where defined
300     metadata, ;; Reference to type descriptor
301     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
302     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
303     i32,      ;; Line number where the scope of the subprogram begins
304     i32,      ;; Virtuality, e.g. dwarf::DW_VIRTUALITY__virtual
305     i32,      ;; Index into a virtual function
306     metadata, ;; indicates which base type contains the vtable pointer for the
307               ;; derived class
308     i32,      ;; Flags - Artifical, Private, Protected, Explicit, Prototyped.
309     i1,       ;; isOptimized
310     Function * , ;; Pointer to LLVM function
311     metadata, ;; Lists function template parameters
312     metadata, ;; Function declaration descriptor
313     metadata  ;; List of function variables
314   }
315
316 These descriptors provide debug information about functions, methods and
317 subprograms.  They provide details such as name, return types and the source
318 location where the subprogram is defined.
319
320 Block descriptors
321 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
322
323 .. code-block:: llvm
324
325   !3 = metadata !{
326     i32,     ;; Tag = 11 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_lexical_block)
327     metadata,;; Reference to context descriptor
328     i32,     ;; Line number
329     i32,     ;; Column number
330     metadata,;; Reference to source file
331     i32      ;; Unique ID to identify blocks from a template function
332   }
333
334 This descriptor provides debug information about nested blocks within a
335 subprogram.  The line number and column numbers are used to dinstinguish two
336 lexical blocks at same depth.
337
338 .. code-block:: llvm
339
340   !3 = metadata !{
341     i32,     ;; Tag = 11 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_lexical_block)
342     metadata ;; Reference to the scope we're annotating with a file change
343     metadata,;; Reference to the file the scope is enclosed in.
344   }
345
346 This descriptor provides a wrapper around a lexical scope to handle file
347 changes in the middle of a lexical block.
348
349 .. _format_basic_type:
350
351 Basic type descriptors
352 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
353
354 .. code-block:: llvm
355
356   !4 = metadata !{
357     i32,      ;; Tag = 36 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_base_type)
358     metadata, ;; Reference to context
359     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
360     metadata, ;; Reference to file where defined (may be NULL)
361     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
362     i64,      ;; Size in bits
363     i64,      ;; Alignment in bits
364     i64,      ;; Offset in bits
365     i32,      ;; Flags
366     i32       ;; DWARF type encoding
367   }
368
369 These descriptors define primitive types used in the code.  Example ``int``,
370 ``bool`` and ``float``.  The context provides the scope of the type, which is
371 usually the top level.  Since basic types are not usually user defined the
372 context and line number can be left as NULL and 0.  The size, alignment and
373 offset are expressed in bits and can be 64 bit values.  The alignment is used
374 to round the offset when embedded in a :ref:`composite type
375 <format_composite_type>` (example to keep float doubles on 64 bit boundaries).
376 The offset is the bit offset if embedded in a :ref:`composite type
377 <format_composite_type>`.
378
379 The type encoding provides the details of the type.  The values are typically
380 one of the following:
381
382 .. code-block:: llvm
383
384   DW_ATE_address       = 1
385   DW_ATE_boolean       = 2
386   DW_ATE_float         = 4
387   DW_ATE_signed        = 5
388   DW_ATE_signed_char   = 6
389   DW_ATE_unsigned      = 7
390   DW_ATE_unsigned_char = 8
391
392 .. _format_derived_type:
393
394 Derived type descriptors
395 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
396
397 .. code-block:: llvm
398
399   !5 = metadata !{
400     i32,      ;; Tag (see below)
401     metadata, ;; Reference to context
402     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
403     metadata, ;; Reference to file where defined (may be NULL)
404     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
405     i64,      ;; Size in bits
406     i64,      ;; Alignment in bits
407     i64,      ;; Offset in bits
408     i32,      ;; Flags to encode attributes, e.g. private
409     metadata, ;; Reference to type derived from
410     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property associated with
411               ;; Objective-C an ivar, or the type of which this
412               ;; pointer-to-member is pointing to members of.
413     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property getter selector.
414     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property setter selector.
415     i32       ;; (optional) Objective C property attributes.
416   }
417
418 These descriptors are used to define types derived from other types.  The value
419 of the tag varies depending on the meaning.  The following are possible tag
420 values:
421
422 .. code-block:: llvm
423
424   DW_TAG_formal_parameter   = 5
425   DW_TAG_member             = 13
426   DW_TAG_pointer_type       = 15
427   DW_TAG_reference_type     = 16
428   DW_TAG_typedef            = 22
429   DW_TAG_ptr_to_member_type = 31
430   DW_TAG_const_type         = 38
431   DW_TAG_volatile_type      = 53
432   DW_TAG_restrict_type      = 55
433
434 ``DW_TAG_member`` is used to define a member of a :ref:`composite type
435 <format_composite_type>` or :ref:`subprogram <format_subprograms>`.  The type
436 of the member is the :ref:`derived type <format_derived_type>`.
437 ``DW_TAG_formal_parameter`` is used to define a member which is a formal
438 argument of a subprogram.
439
440 ``DW_TAG_typedef`` is used to provide a name for the derived type.
441
442 ``DW_TAG_pointer_type``, ``DW_TAG_reference_type``, ``DW_TAG_const_type``,
443 ``DW_TAG_volatile_type`` and ``DW_TAG_restrict_type`` are used to qualify the
444 :ref:`derived type <format_derived_type>`.
445
446 :ref:`Derived type <format_derived_type>` location can be determined from the
447 context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in bits
448 and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
449 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`  (example to keep
450 float doubles on 64 bit boundaries.) The offset is the bit offset if embedded
451 in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
452
453 Note that the ``void *`` type is expressed as a type derived from NULL.
454
455 .. _format_composite_type:
456
457 Composite type descriptors
458 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
459
460 .. code-block:: llvm
461
462   !6 = metadata !{
463     i32,      ;; Tag (see below)
464     metadata, ;; Reference to context
465     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
466     metadata, ;; Reference to file where defined (may be NULL)
467     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
468     i64,      ;; Size in bits
469     i64,      ;; Alignment in bits
470     i64,      ;; Offset in bits
471     i32,      ;; Flags
472     metadata, ;; Reference to type derived from
473     metadata, ;; Reference to array of member descriptors
474     i32       ;; Runtime languages
475   }
476
477 These descriptors are used to define types that are composed of 0 or more
478 elements.  The value of the tag varies depending on the meaning.  The following
479 are possible tag values:
480
481 .. code-block:: llvm
482
483   DW_TAG_array_type       = 1
484   DW_TAG_enumeration_type = 4
485   DW_TAG_structure_type   = 19
486   DW_TAG_union_type       = 23
487   DW_TAG_vector_type      = 259
488   DW_TAG_subroutine_type  = 21
489   DW_TAG_inheritance      = 28
490
491 The vector flag indicates that an array type is a native packed vector.
492
493 The members of array types (tag = ``DW_TAG_array_type``) or vector types (tag =
494 ``DW_TAG_vector_type``) are :ref:`subrange descriptors <format_subrange>`, each
495 representing the range of subscripts at that level of indexing.
496
497 The members of enumeration types (tag = ``DW_TAG_enumeration_type``) are
498 :ref:`enumerator descriptors <format_enumerator>`, each representing the
499 definition of enumeration value for the set.  All enumeration type descriptors
500 are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
501
502 The members of structure (tag = ``DW_TAG_structure_type``) or union (tag =
503 ``DW_TAG_union_type``) types are any one of the :ref:`basic
504 <format_basic_type>`, :ref:`derived <format_derived_type>` or :ref:`composite
505 <format_composite_type>` type descriptors, each representing a field member of
506 the structure or union.
507
508 For C++ classes (tag = ``DW_TAG_structure_type``), member descriptors provide
509 information about base classes, static members and member functions.  If a
510 member is a :ref:`derived type descriptor <format_derived_type>` and has a tag
511 of ``DW_TAG_inheritance``, then the type represents a base class.  If the member
512 of is a :ref:`global variable descriptor <format_global_variables>` then it
513 represents a static member.  And, if the member is a :ref:`subprogram
514 descriptor <format_subprograms>` then it represents a member function.  For
515 static members and member functions, ``getName()`` returns the members link or
516 the C++ mangled name.  ``getDisplayName()`` the simplied version of the name.
517
518 The first member of subroutine (tag = ``DW_TAG_subroutine_type``) type elements
519 is the return type for the subroutine.  The remaining elements are the formal
520 arguments to the subroutine.
521
522 :ref:`Composite type <format_composite_type>` location can be determined from
523 the context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in
524 bits and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
525 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>` (as an example, to
526 keep float doubles on 64 bit boundaries).  The offset is the bit offset if
527 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
528
529 .. _format_subrange:
530
531 Subrange descriptors
532 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
533
534 .. code-block:: llvm
535
536   !42 = metadata !{
537     i32,    ;; Tag = 33 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_subrange_type)
538     i64,    ;; Low value
539     i64     ;; High value
540   }
541
542 These descriptors are used to define ranges of array subscripts for an array
543 :ref:`composite type <format_composite_type>`.  The low value defines the lower
544 bounds typically zero for C/C++.  The high value is the upper bounds.  Values
545 are 64 bit.  ``High - Low + 1`` is the size of the array.  If ``Low > High``
546 the array bounds are not included in generated debugging information.
547
548 .. _format_enumerator:
549
550 Enumerator descriptors
551 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
552
553 .. code-block:: llvm
554
555   !6 = metadata !{
556     i32,      ;; Tag = 40 + LLVMDebugVersion (DW_TAG_enumerator)
557     metadata, ;; Name
558     i64       ;; Value
559   }
560
561 These descriptors are used to define members of an enumeration :ref:`composite
562 type <format_composite_type>`, it associates the name to the value.
563
564 Local variables
565 ^^^^^^^^^^^^^^^
566
567 .. code-block:: llvm
568
569   !7 = metadata !{
570     i32,      ;; Tag (see below)
571     metadata, ;; Context
572     metadata, ;; Name
573     metadata, ;; Reference to file where defined
574     i32,      ;; 24 bit - Line number where defined
575               ;; 8 bit - Argument number. 1 indicates 1st argument.
576     metadata, ;; Type descriptor
577     i32,      ;; flags
578     metadata  ;; (optional) Reference to inline location
579   }
580
581 These descriptors are used to define variables local to a sub program.  The
582 value of the tag depends on the usage of the variable:
583
584 .. code-block:: llvm
585
586   DW_TAG_auto_variable   = 256
587   DW_TAG_arg_variable    = 257
588   DW_TAG_return_variable = 258
589
590 An auto variable is any variable declared in the body of the function.  An
591 argument variable is any variable that appears as a formal argument to the
592 function.  A return variable is used to track the result of a function and has
593 no source correspondent.
594
595 The context is either the subprogram or block where the variable is defined.
596 Name the source variable name.  Context and line indicate where the variable
597 was defined.  Type descriptor defines the declared type of the variable.
598
599 .. _format_common_intrinsics:
600
601 Debugger intrinsic functions
602 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
603
604 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
605 provide debug information at various points in generated code.
606
607 ``llvm.dbg.declare``
608 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
609
610 .. code-block:: llvm
611
612   void %llvm.dbg.declare(metadata, metadata)
613
614 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
615 The first argument is metadata holding the alloca for the variable.  The second
616 argument is metadata containing a description of the variable.
617
618 ``llvm.dbg.value``
619 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
620
621 .. code-block:: llvm
622
623   void %llvm.dbg.value(metadata, i64, metadata)
624
625 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
626 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
627 argument is the offset in the user source variable where the new value is
628 written.  The third argument is metadata containing a description of the user
629 source variable.
630
631 Object lifetimes and scoping
632 ============================
633
634 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
635 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
636 example, variables are only live (readable and writable) within the source
637 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
638 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
639 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
640 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
641
642 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
643 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
644 following C fragment, for example:
645
646 .. code-block:: c
647
648   1.  void foo() {
649   2.    int X = 21;
650   3.    int Y = 22;
651   4.    {
652   5.      int Z = 23;
653   6.      Z = X;
654   7.    }
655   8.    X = Y;
656   9.  }
657
658 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
659
660 .. code-block:: llvm
661
662   define void @foo() nounwind ssp {
663   entry:
664     %X = alloca i32, align 4                        ; <i32*> [#uses=4]
665     %Y = alloca i32, align 4                        ; <i32*> [#uses=4]
666     %Z = alloca i32, align 4                        ; <i32*> [#uses=3]
667     %0 = bitcast i32* %X to {}*                     ; <{}*> [#uses=1]
668     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32 * %X}, metadata !0), !dbg !7
669     store i32 21, i32* %X, !dbg !8
670     %1 = bitcast i32* %Y to {}*                     ; <{}*> [#uses=1]
671     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32 * %Y}, metadata !9), !dbg !10
672     store i32 22, i32* %Y, !dbg !11
673     %2 = bitcast i32* %Z to {}*                     ; <{}*> [#uses=1]
674     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32 * %Z}, metadata !12), !dbg !14
675     store i32 23, i32* %Z, !dbg !15
676     %tmp = load i32* %X, !dbg !16                   ; <i32> [#uses=1]
677     %tmp1 = load i32* %Y, !dbg !16                  ; <i32> [#uses=1]
678     %add = add nsw i32 %tmp, %tmp1, !dbg !16        ; <i32> [#uses=1]
679     store i32 %add, i32* %Z, !dbg !16
680     %tmp2 = load i32* %Y, !dbg !17                  ; <i32> [#uses=1]
681     store i32 %tmp2, i32* %X, !dbg !17
682     ret void, !dbg !18
683   }
684
685   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata) nounwind readnone
686
687   !0 = metadata !{i32 459008, metadata !1, metadata !"X",
688                   metadata !3, i32 2, metadata !6}; [ DW_TAG_auto_variable ]
689   !1 = metadata !{i32 458763, metadata !2}; [DW_TAG_lexical_block ]
690   !2 = metadata !{i32 458798, i32 0, metadata !3, metadata !"foo", metadata !"foo",
691                  metadata !"foo", metadata !3, i32 1, metadata !4,
692                  i1 false, i1 true}; [DW_TAG_subprogram ]
693   !3 = metadata !{i32 458769, i32 0, i32 12, metadata !"foo.c",
694                   metadata !"/private/tmp", metadata !"clang 1.1", i1 true,
695                   i1 false, metadata !"", i32 0}; [DW_TAG_compile_unit ]
696   !4 = metadata !{i32 458773, metadata !3, metadata !"", null, i32 0, i64 0, i64 0,
697                   i64 0, i32 0, null, metadata !5, i32 0}; [DW_TAG_subroutine_type ]
698   !5 = metadata !{null}
699   !6 = metadata !{i32 458788, metadata !3, metadata !"int", metadata !3, i32 0,
700                   i64 32, i64 32, i64 0, i32 0, i32 5}; [DW_TAG_base_type ]
701   !7 = metadata !{i32 2, i32 7, metadata !1, null}
702   !8 = metadata !{i32 2, i32 3, metadata !1, null}
703   !9 = metadata !{i32 459008, metadata !1, metadata !"Y", metadata !3, i32 3,
704                   metadata !6}; [ DW_TAG_auto_variable ]
705   !10 = metadata !{i32 3, i32 7, metadata !1, null}
706   !11 = metadata !{i32 3, i32 3, metadata !1, null}
707   !12 = metadata !{i32 459008, metadata !13, metadata !"Z", metadata !3, i32 5,
708                    metadata !6}; [ DW_TAG_auto_variable ]
709   !13 = metadata !{i32 458763, metadata !1}; [DW_TAG_lexical_block ]
710   !14 = metadata !{i32 5, i32 9, metadata !13, null}
711   !15 = metadata !{i32 5, i32 5, metadata !13, null}
712   !16 = metadata !{i32 6, i32 5, metadata !13, null}
713   !17 = metadata !{i32 8, i32 3, metadata !1, null}
714   !18 = metadata !{i32 9, i32 1, metadata !2, null}
715
716 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
717 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
718 location information, which are attached to an instruction, are applied
719 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
720 variable definitions, and the code used to implement the function.
721
722 .. code-block:: llvm
723
724   call void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata !0), !dbg !7
725
726 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
727 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !7`` attached to the intrinsic provides
728 scope information for the variable ``X``.
729
730 .. code-block:: llvm
731
732   !7 = metadata !{i32 2, i32 7, metadata !1, null}
733   !1 = metadata !{i32 458763, metadata !2}; [DW_TAG_lexical_block ]
734   !2 = metadata !{i32 458798, i32 0, metadata !3, metadata !"foo",
735                   metadata !"foo", metadata !"foo", metadata !3, i32 1,
736                   metadata !4, i1 false, i1 true}; [DW_TAG_subprogram ]
737
738 Here ``!7`` is metadata providing location information.  It has four fields:
739 line number, column number, scope, and original scope.  The original scope
740 represents inline location if this instruction is inlined inside a caller, and
741 is null otherwise.  In this example, scope is encoded by ``!1``. ``!1``
742 represents a lexical block inside the scope ``!2``, where ``!2`` is a
743 :ref:`subprogram descriptor <format_subprograms>`.  This way the location
744 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
745 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
746
747 Now lets take another example.
748
749 .. code-block:: llvm
750
751   call void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata !12), !dbg !14
752
753 The second intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
754 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !14`` attached to the intrinsic provides
755 scope information for the variable ``Z``.
756
757 .. code-block:: llvm
758
759   !13 = metadata !{i32 458763, metadata !1}; [DW_TAG_lexical_block ]
760   !14 = metadata !{i32 5, i32 9, metadata !13, null}
761
762 Here ``!14`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and
763 column number 9 inside of lexical scope ``!13``.  The lexical scope itself
764 resides inside of lexical scope ``!1`` described above.
765
766 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
767 way to find instructions covered by a scope.
768
769 .. _ccxx_frontend:
770
771 C/C++ front-end specific debug information
772 ==========================================
773
774 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
775 that is effectively identical to `DWARF 3.0
776 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
777 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
778 generating standard dwarf information, and contains enough information for
779 non-dwarf targets to translate it as needed.
780
781 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
782 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
783 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
784 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
785 As support for debugging information gets added to the various LLVM
786 source-language front-ends, the information used should be documented here.
787
788 The following sections provide examples of various C/C++ constructs and the
789 debug information that would best describe those constructs.
790
791 C/C++ source file information
792 -----------------------------
793
794 Given the source files ``MySource.cpp`` and ``MyHeader.h`` located in the
795 directory ``/Users/mine/sources``, the following code:
796
797 .. code-block:: c
798
799   #include "MyHeader.h"
800
801   int main(int argc, char *argv[]) {
802     return 0;
803   }
804
805 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
806
807 .. code-block:: llvm
808
809   ...
810   ;;
811   ;; Define the compile unit for the main source file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
812   ;;
813   !2 = metadata !{
814     i32 524305,    ;; Tag
815     i32 0,         ;; Unused
816     i32 4,         ;; Language Id
817     metadata !"MySource.cpp",
818     metadata !"/Users/mine/sources",
819     metadata !"4.2.1 (Based on Apple Inc. build 5649) (LLVM build 00)",
820     i1 true,       ;; Main Compile Unit
821     i1 false,      ;; Optimized compile unit
822     metadata !"",  ;; Compiler flags
823     i32 0}         ;; Runtime version
824
825   ;;
826   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
827   ;;
828   !1 = metadata !{
829     i32 524329,    ;; Tag
830     metadata !"MySource.cpp",
831     metadata !"/Users/mine/sources",
832     metadata !2    ;; Compile unit
833   }
834
835   ;;
836   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/Myheader.h"
837   ;;
838   !3 = metadata !{
839     i32 524329,    ;; Tag
840     metadata !"Myheader.h"
841     metadata !"/Users/mine/sources",
842     metadata !2    ;; Compile unit
843   }
844
845   ...
846
847 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
848 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
849 ``Instruction::getMetadata()`` and ``DILocation::getLineNumber()``.
850
851 .. code-block:: c++
852
853   if (MDNode *N = I->getMetadata("dbg")) {  // Here I is an LLVM instruction
854     DILocation Loc(N);                      // DILocation is in DebugInfo.h
855     unsigned Line = Loc.getLineNumber();
856     StringRef File = Loc.getFilename();
857     StringRef Dir = Loc.getDirectory();
858   }
859
860 C/C++ global variable information
861 ---------------------------------
862
863 Given an integer global variable declared as follows:
864
865 .. code-block:: c
866
867   int MyGlobal = 100;
868
869 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
870
871 .. code-block:: llvm
872
873   ;;
874   ;; Define the global itself.
875   ;;
876   %MyGlobal = global int 100
877   ...
878   ;;
879   ;; List of debug info of globals
880   ;;
881   !llvm.dbg.cu = !{!0}
882
883   ;; Define the compile unit.
884   !0 = metadata !{
885     i32 786449,                       ;; Tag
886     i32 0,                            ;; Context
887     i32 4,                            ;; Language
888     metadata !"foo.cpp",              ;; File
889     metadata !"/Volumes/Data/tmp",    ;; Directory
890     metadata !"clang version 3.1 ",   ;; Producer
891     i1 true,                          ;; Deprecated field
892     i1 false,                         ;; "isOptimized"?
893     metadata !"",                     ;; Flags
894     i32 0,                            ;; Runtime Version
895     metadata !1,                      ;; Enum Types
896     metadata !1,                      ;; Retained Types
897     metadata !1,                      ;; Subprograms
898     metadata !3                       ;; Global Variables
899   } ; [ DW_TAG_compile_unit ]
900
901   ;; The Array of Global Variables
902   !3 = metadata !{
903     metadata !4
904   }
905
906   !4 = metadata !{
907     metadata !5
908   }
909
910   ;;
911   ;; Define the global variable itself.
912   ;;
913   !5 = metadata !{
914     i32 786484,                        ;; Tag
915     i32 0,                             ;; Unused
916     null,                              ;; Unused
917     metadata !"MyGlobal",              ;; Name
918     metadata !"MyGlobal",              ;; Display Name
919     metadata !"",                      ;; Linkage Name
920     metadata !6,                       ;; File
921     i32 1,                             ;; Line
922     metadata !7,                       ;; Type
923     i32 0,                             ;; IsLocalToUnit
924     i32 1,                             ;; IsDefinition
925     i32* @MyGlobal                     ;; LLVM-IR Value
926   } ; [ DW_TAG_variable ]
927
928   ;;
929   ;; Define the file
930   ;;
931   !6 = metadata !{
932     i32 786473,                        ;; Tag
933     metadata !"foo.cpp",               ;; File
934     metadata !"/Volumes/Data/tmp",     ;; Directory
935     null                               ;; Unused
936   } ; [ DW_TAG_file_type ]
937
938   ;;
939   ;; Define the type
940   ;;
941   !7 = metadata !{
942     i32 786468,                         ;; Tag
943     null,                               ;; Unused
944     metadata !"int",                    ;; Name
945     null,                               ;; Unused
946     i32 0,                              ;; Line
947     i64 32,                             ;; Size in Bits
948     i64 32,                             ;; Align in Bits
949     i64 0,                              ;; Offset
950     i32 0,                              ;; Flags
951     i32 5                               ;; Encoding
952   } ; [ DW_TAG_base_type ]
953
954 C/C++ function information
955 --------------------------
956
957 Given a function declared as follows:
958
959 .. code-block:: c
960
961   int main(int argc, char *argv[]) {
962     return 0;
963   }
964
965 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
966
967 .. code-block:: llvm
968
969   ;;
970   ;; Define the anchor for subprograms.  Note that the second field of the
971   ;; anchor is 46, which is the same as the tag for subprograms
972   ;; (46 = DW_TAG_subprogram.)
973   ;;
974   !6 = metadata !{
975     i32 524334,        ;; Tag
976     i32 0,             ;; Unused
977     metadata !1,       ;; Context
978     metadata !"main",  ;; Name
979     metadata !"main",  ;; Display name
980     metadata !"main",  ;; Linkage name
981     metadata !1,       ;; File
982     i32 1,             ;; Line number
983     metadata !4,       ;; Type
984     i1 false,          ;; Is local
985     i1 true,           ;; Is definition
986     i32 0,             ;; Virtuality attribute, e.g. pure virtual function
987     i32 0,             ;; Index into virtual table for C++ methods
988     i32 0,             ;; Type that holds virtual table.
989     i32 0,             ;; Flags
990     i1 false,          ;; True if this function is optimized
991     Function *,        ;; Pointer to llvm::Function
992     null               ;; Function template parameters
993   }
994   ;;
995   ;; Define the subprogram itself.
996   ;;
997   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) {
998   ...
999   }
1000
1001 C/C++ basic types
1002 -----------------
1003
1004 The following are the basic type descriptors for C/C++ core types:
1005
1006 bool
1007 ^^^^
1008
1009 .. code-block:: llvm
1010
1011   !2 = metadata !{
1012     i32 524324,        ;; Tag
1013     metadata !1,       ;; Context
1014     metadata !"bool",  ;; Name
1015     metadata !1,       ;; File
1016     i32 0,             ;; Line number
1017     i64 8,             ;; Size in Bits
1018     i64 8,             ;; Align in Bits
1019     i64 0,             ;; Offset in Bits
1020     i32 0,             ;; Flags
1021     i32 2              ;; Encoding
1022   }
1023
1024 char
1025 ^^^^
1026
1027 .. code-block:: llvm
1028
1029   !2 = metadata !{
1030     i32 524324,        ;; Tag
1031     metadata !1,       ;; Context
1032     metadata !"char",  ;; Name
1033     metadata !1,       ;; File
1034     i32 0,             ;; Line number
1035     i64 8,             ;; Size in Bits
1036     i64 8,             ;; Align in Bits
1037     i64 0,             ;; Offset in Bits
1038     i32 0,             ;; Flags
1039     i32 6              ;; Encoding
1040   }
1041
1042 unsigned char
1043 ^^^^^^^^^^^^^
1044
1045 .. code-block:: llvm
1046
1047   !2 = metadata !{
1048     i32 524324,        ;; Tag
1049     metadata !1,       ;; Context
1050     metadata !"unsigned char",
1051     metadata !1,       ;; File
1052     i32 0,             ;; Line number
1053     i64 8,             ;; Size in Bits
1054     i64 8,             ;; Align in Bits
1055     i64 0,             ;; Offset in Bits
1056     i32 0,             ;; Flags
1057     i32 8              ;; Encoding
1058   }
1059
1060 short
1061 ^^^^^
1062
1063 .. code-block:: llvm
1064
1065   !2 = metadata !{
1066     i32 524324,        ;; Tag
1067     metadata !1,       ;; Context
1068     metadata !"short int",
1069     metadata !1,       ;; File
1070     i32 0,             ;; Line number
1071     i64 16,            ;; Size in Bits
1072     i64 16,            ;; Align in Bits
1073     i64 0,             ;; Offset in Bits
1074     i32 0,             ;; Flags
1075     i32 5              ;; Encoding
1076   }
1077
1078 unsigned short
1079 ^^^^^^^^^^^^^^
1080
1081 .. code-block:: llvm
1082
1083   !2 = metadata !{
1084     i32 524324,        ;; Tag
1085     metadata !1,       ;; Context
1086     metadata !"short unsigned int",
1087     metadata !1,       ;; File
1088     i32 0,             ;; Line number
1089     i64 16,            ;; Size in Bits
1090     i64 16,            ;; Align in Bits
1091     i64 0,             ;; Offset in Bits
1092     i32 0,             ;; Flags
1093     i32 7              ;; Encoding
1094   }
1095
1096 int
1097 ^^^
1098
1099 .. code-block:: llvm
1100
1101   !2 = metadata !{
1102     i32 524324,        ;; Tag
1103     metadata !1,       ;; Context
1104     metadata !"int",   ;; Name
1105     metadata !1,       ;; File
1106     i32 0,             ;; Line number
1107     i64 32,            ;; Size in Bits
1108     i64 32,            ;; Align in Bits
1109     i64 0,             ;; Offset in Bits
1110     i32 0,             ;; Flags
1111     i32 5              ;; Encoding
1112   }
1113
1114 unsigned int
1115 ^^^^^^^^^^^^
1116
1117 .. code-block:: llvm
1118
1119   !2 = metadata !{
1120     i32 524324,        ;; Tag
1121     metadata !1,       ;; Context
1122     metadata !"unsigned int",
1123     metadata !1,       ;; File
1124     i32 0,             ;; Line number
1125     i64 32,            ;; Size in Bits
1126     i64 32,            ;; Align in Bits
1127     i64 0,             ;; Offset in Bits
1128     i32 0,             ;; Flags
1129     i32 7              ;; Encoding
1130   }
1131
1132 long long
1133 ^^^^^^^^^
1134
1135 .. code-block:: llvm
1136
1137   !2 = metadata !{
1138     i32 524324,        ;; Tag
1139     metadata !1,       ;; Context
1140     metadata !"long long int",
1141     metadata !1,       ;; File
1142     i32 0,             ;; Line number
1143     i64 64,            ;; Size in Bits
1144     i64 64,            ;; Align in Bits
1145     i64 0,             ;; Offset in Bits
1146     i32 0,             ;; Flags
1147     i32 5              ;; Encoding
1148   }
1149
1150 unsigned long long
1151 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1152
1153 .. code-block:: llvm
1154
1155   !2 = metadata !{
1156     i32 524324,        ;; Tag
1157     metadata !1,       ;; Context
1158     metadata !"long long unsigned int",
1159     metadata !1,       ;; File
1160     i32 0,             ;; Line number
1161     i64 64,            ;; Size in Bits
1162     i64 64,            ;; Align in Bits
1163     i64 0,             ;; Offset in Bits
1164     i32 0,             ;; Flags
1165     i32 7              ;; Encoding
1166   }
1167
1168 float
1169 ^^^^^
1170
1171 .. code-block:: llvm
1172
1173   !2 = metadata !{
1174     i32 524324,        ;; Tag
1175     metadata !1,       ;; Context
1176     metadata !"float",
1177     metadata !1,       ;; File
1178     i32 0,             ;; Line number
1179     i64 32,            ;; Size in Bits
1180     i64 32,            ;; Align in Bits
1181     i64 0,             ;; Offset in Bits
1182     i32 0,             ;; Flags
1183     i32 4              ;; Encoding
1184   }
1185
1186 double
1187 ^^^^^^
1188
1189 .. code-block:: llvm
1190
1191   !2 = metadata !{
1192     i32 524324,        ;; Tag
1193     metadata !1,       ;; Context
1194     metadata !"double",;; Name
1195     metadata !1,       ;; File
1196     i32 0,             ;; Line number
1197     i64 64,            ;; Size in Bits
1198     i64 64,            ;; Align in Bits
1199     i64 0,             ;; Offset in Bits
1200     i32 0,             ;; Flags
1201     i32 4              ;; Encoding
1202   }
1203
1204 C/C++ derived types
1205 -------------------
1206
1207 Given the following as an example of C/C++ derived type:
1208
1209 .. code-block:: c
1210
1211   typedef const int *IntPtr;
1212
1213 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1214
1215 .. code-block:: llvm
1216
1217   ;;
1218   ;; Define the typedef "IntPtr".
1219   ;;
1220   !2 = metadata !{
1221     i32 524310,          ;; Tag
1222     metadata !1,         ;; Context
1223     metadata !"IntPtr",  ;; Name
1224     metadata !3,         ;; File
1225     i32 0,               ;; Line number
1226     i64 0,               ;; Size in bits
1227     i64 0,               ;; Align in bits
1228     i64 0,               ;; Offset in bits
1229     i32 0,               ;; Flags
1230     metadata !4          ;; Derived From type
1231   }
1232   ;;
1233   ;; Define the pointer type.
1234   ;;
1235   !4 = metadata !{
1236     i32 524303,          ;; Tag
1237     metadata !1,         ;; Context
1238     metadata !"",        ;; Name
1239     metadata !1,         ;; File
1240     i32 0,               ;; Line number
1241     i64 64,              ;; Size in bits
1242     i64 64,              ;; Align in bits
1243     i64 0,               ;; Offset in bits
1244     i32 0,               ;; Flags
1245     metadata !5          ;; Derived From type
1246   }
1247   ;;
1248   ;; Define the const type.
1249   ;;
1250   !5 = metadata !{
1251     i32 524326,          ;; Tag
1252     metadata !1,         ;; Context
1253     metadata !"",        ;; Name
1254     metadata !1,         ;; File
1255     i32 0,               ;; Line number
1256     i64 32,              ;; Size in bits
1257     i64 32,              ;; Align in bits
1258     i64 0,               ;; Offset in bits
1259     i32 0,               ;; Flags
1260     metadata !6          ;; Derived From type
1261   }
1262   ;;
1263   ;; Define the int type.
1264   ;;
1265   !6 = metadata !{
1266     i32 524324,          ;; Tag
1267     metadata !1,         ;; Context
1268     metadata !"int",     ;; Name
1269     metadata !1,         ;; File
1270     i32 0,               ;; Line number
1271     i64 32,              ;; Size in bits
1272     i64 32,              ;; Align in bits
1273     i64 0,               ;; Offset in bits
1274     i32 0,               ;; Flags
1275     5                    ;; Encoding
1276   }
1277
1278 C/C++ struct/union types
1279 ------------------------
1280
1281 Given the following as an example of C/C++ struct type:
1282
1283 .. code-block:: c
1284
1285   struct Color {
1286     unsigned Red;
1287     unsigned Green;
1288     unsigned Blue;
1289   };
1290
1291 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1292
1293 .. code-block:: llvm
1294
1295   ;;
1296   ;; Define basic type for unsigned int.
1297   ;;
1298   !5 = metadata !{
1299     i32 524324,        ;; Tag
1300     metadata !1,       ;; Context
1301     metadata !"unsigned int",
1302     metadata !1,       ;; File
1303     i32 0,             ;; Line number
1304     i64 32,            ;; Size in Bits
1305     i64 32,            ;; Align in Bits
1306     i64 0,             ;; Offset in Bits
1307     i32 0,             ;; Flags
1308     i32 7              ;; Encoding
1309   }
1310   ;;
1311   ;; Define composite type for struct Color.
1312   ;;
1313   !2 = metadata !{
1314     i32 524307,        ;; Tag
1315     metadata !1,       ;; Context
1316     metadata !"Color", ;; Name
1317     metadata !1,       ;; Compile unit
1318     i32 1,             ;; Line number
1319     i64 96,            ;; Size in bits
1320     i64 32,            ;; Align in bits
1321     i64 0,             ;; Offset in bits
1322     i32 0,             ;; Flags
1323     null,              ;; Derived From
1324     metadata !3,       ;; Elements
1325     i32 0              ;; Runtime Language
1326   }
1327
1328   ;;
1329   ;; Define the Red field.
1330   ;;
1331   !4 = metadata !{
1332     i32 524301,        ;; Tag
1333     metadata !1,       ;; Context
1334     metadata !"Red",   ;; Name
1335     metadata !1,       ;; File
1336     i32 2,             ;; Line number
1337     i64 32,            ;; Size in bits
1338     i64 32,            ;; Align in bits
1339     i64 0,             ;; Offset in bits
1340     i32 0,             ;; Flags
1341     metadata !5        ;; Derived From type
1342   }
1343
1344   ;;
1345   ;; Define the Green field.
1346   ;;
1347   !6 = metadata !{
1348     i32 524301,        ;; Tag
1349     metadata !1,       ;; Context
1350     metadata !"Green", ;; Name
1351     metadata !1,       ;; File
1352     i32 3,             ;; Line number
1353     i64 32,            ;; Size in bits
1354     i64 32,            ;; Align in bits
1355     i64 32,             ;; Offset in bits
1356     i32 0,             ;; Flags
1357     metadata !5        ;; Derived From type
1358   }
1359
1360   ;;
1361   ;; Define the Blue field.
1362   ;;
1363   !7 = metadata !{
1364     i32 524301,        ;; Tag
1365     metadata !1,       ;; Context
1366     metadata !"Blue",  ;; Name
1367     metadata !1,       ;; File
1368     i32 4,             ;; Line number
1369     i64 32,            ;; Size in bits
1370     i64 32,            ;; Align in bits
1371     i64 64,             ;; Offset in bits
1372     i32 0,             ;; Flags
1373     metadata !5        ;; Derived From type
1374   }
1375
1376   ;;
1377   ;; Define the array of fields used by the composite type Color.
1378   ;;
1379   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !6, metadata !7}
1380
1381 C/C++ enumeration types
1382 -----------------------
1383
1384 Given the following as an example of C/C++ enumeration type:
1385
1386 .. code-block:: c
1387
1388   enum Trees {
1389     Spruce = 100,
1390     Oak = 200,
1391     Maple = 300
1392   };
1393
1394 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1395
1396 .. code-block:: llvm
1397
1398   ;;
1399   ;; Define composite type for enum Trees
1400   ;;
1401   !2 = metadata !{
1402     i32 524292,        ;; Tag
1403     metadata !1,       ;; Context
1404     metadata !"Trees", ;; Name
1405     metadata !1,       ;; File
1406     i32 1,             ;; Line number
1407     i64 32,            ;; Size in bits
1408     i64 32,            ;; Align in bits
1409     i64 0,             ;; Offset in bits
1410     i32 0,             ;; Flags
1411     null,              ;; Derived From type
1412     metadata !3,       ;; Elements
1413     i32 0              ;; Runtime language
1414   }
1415
1416   ;;
1417   ;; Define the array of enumerators used by composite type Trees.
1418   ;;
1419   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !5, metadata !6}
1420
1421   ;;
1422   ;; Define Spruce enumerator.
1423   ;;
1424   !4 = metadata !{i32 524328, metadata !"Spruce", i64 100}
1425
1426   ;;
1427   ;; Define Oak enumerator.
1428   ;;
1429   !5 = metadata !{i32 524328, metadata !"Oak", i64 200}
1430
1431   ;;
1432   ;; Define Maple enumerator.
1433   ;;
1434   !6 = metadata !{i32 524328, metadata !"Maple", i64 300}
1435
1436 Debugging information format
1437 ============================
1438
1439 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1440 ----------------------------------------------------------
1441
1442 Introduction
1443 ^^^^^^^^^^^^
1444
1445 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1446 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1447 to let compiler synthesize accessor methods.
1448
1449 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1450 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1451 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1452 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1453 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1454 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1455 inspect Objective C properties.
1456
1457 Proposal
1458 ^^^^^^^^
1459
1460 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1461 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1462 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1463 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1464 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1465 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1466 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1467
1468 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1469 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1470 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1471 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1472
1473 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1474 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1475 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1476 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1477 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1478 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1479 back to the property it is backing.
1480
1481 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1482
1483 .. code-block:: objc
1484
1485   @interface I1 {
1486     int n2;
1487   }
1488
1489   @property int p1;
1490   @property int p2;
1491   @end
1492
1493   @implementation I1
1494   @synthesize p1;
1495   @synthesize p2 = n2;
1496   @end
1497
1498 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1499
1500 .. code-block:: none
1501
1502   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1503                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1504                  AT_name( "I1" )
1505                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1506                  AT_decl_line( 3 )
1507
1508   0x00000110    TAG_APPLE_property
1509                   AT_name ( "p1" )
1510                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1511
1512   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1513                   AT_name ( "p2" )
1514                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1515
1516   0x00000130:   TAG_member [8]
1517                   AT_name( "_p1" )
1518                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1519                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1520                   AT_artificial ( 0x1 )
1521
1522   0x00000140:    TAG_member [8]
1523                    AT_name( "n2" )
1524                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1525                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1526
1527   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1528
1529 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1530 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1531 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1532 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1533 directly.
1534
1535 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1536 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1537 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1538 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1539 current translation unit.
1540
1541 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1542 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1543
1544 .. code-block:: objc
1545
1546   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1547
1548 .. code-block:: none
1549
1550   TAG_APPLE_property [8]
1551     AT_name( "pr" )
1552     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1553     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1554
1555 The setter and getter method names are attached to the property using
1556 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1557
1558 .. code-block:: objc
1559
1560   @interface I1
1561   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1562   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1563   @end
1564
1565   @implementation I1
1566   @synthesize p3;
1567   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1568   @end
1569
1570 The DWARF for this would be:
1571
1572 .. code-block:: none
1573
1574   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1575                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1576                 AT_name( "I1" )
1577                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1578                 AT_decl_line( 3 )
1579
1580   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1581                     AT_name ( "p3" )
1582                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1583                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1584
1585   0x000003f3:     TAG_member [8]
1586                     AT_name( "_p3" )
1587                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1588                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1589                     AT_artificial ( 0x1 )
1590
1591 New DWARF Tags
1592 ^^^^^^^^^^^^^^
1593
1594 +-----------------------+--------+
1595 | TAG                   | Value  |
1596 +=======================+========+
1597 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1598 +-----------------------+--------+
1599
1600 New DWARF Attributes
1601 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1602
1603 +--------------------------------+--------+-----------+
1604 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1605 +================================+========+===========+
1606 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1607 +--------------------------------+--------+-----------+
1608 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1609 +--------------------------------+--------+-----------+
1610 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1611 +--------------------------------+--------+-----------+
1612 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1613 +--------------------------------+--------+-----------+
1614
1615 New DWARF Constants
1616 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1617
1618 +--------------------------------+-------+
1619 | Name                           | Value |
1620 +================================+=======+
1621 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readonly  | 0x1   |
1622 +--------------------------------+-------+
1623 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readwrite | 0x2   |
1624 +--------------------------------+-------+
1625 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_assign    | 0x4   |
1626 +--------------------------------+-------+
1627 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_retain    | 0x8   |
1628 +--------------------------------+-------+
1629 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_copy      | 0x10  |
1630 +--------------------------------+-------+
1631 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_nonatomic | 0x20  |
1632 +--------------------------------+-------+
1633
1634 Name Accelerator Tables
1635 -----------------------
1636
1637 Introduction
1638 ^^^^^^^^^^^^
1639
1640 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1641 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1642 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1643 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1644 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1645 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1646 clang.
1647
1648 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1649 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1650 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1651 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1652 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1653 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1654 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1655 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1656 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1657 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1658 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1659 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1660 se.
1661
1662 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1663 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1664 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1665 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1666 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1667 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1668 for large C++ programs.
1669
1670 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1671 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1672 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1673 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1674 need.
1675
1676 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1677 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1678 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1679 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1680 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1681 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1682 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1683 type of debugging experience greatly.
1684
1685 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1686 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1687 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1688 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1689 issues.  In order to solve these issues we need to:
1690
1691 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1692 * Lookups should be very fast
1693 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1694 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1695 * Strict rules for the contents of tables
1696
1697 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1698 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1699 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1700 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1701
1702 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1703 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1704 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1705 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1706 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1707
1708 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1709 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1710
1711 Hash Tables
1712 ^^^^^^^^^^^
1713
1714 Standard Hash Tables
1715 """"""""""""""""""""
1716
1717 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1718 bucket contents:
1719
1720 .. code-block:: none
1721
1722   .------------.
1723   |  HEADER    |
1724   |------------|
1725   |  BUCKETS   |
1726   |------------|
1727   |  DATA      |
1728   `------------'
1729
1730 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1731
1732 .. code-block:: none
1733
1734   .------------.
1735   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1736   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1737   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1738   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1739   |            | ...
1740   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1741   '------------'
1742
1743 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1744 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1745 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1746 for the current string value.
1747
1748 .. code-block:: none
1749
1750               .------------.
1751   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1752               | 0x12345678 | 32 bit hash
1753               | "erase"    | string value
1754               | data[n]    | HashData for this bucket
1755               |------------|
1756   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1757               | 0x29273623 | 32 bit hash
1758               | "dump"     | string value
1759               | data[n]    | HashData for this bucket
1760               |------------|
1761   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1762               | 0x82638293 | 32 bit hash
1763               | "main"     | string value
1764               | data[n]    | HashData for this bucket
1765               `------------'
1766
1767 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1768 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1769 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32 hash
1770 for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to the
1771 offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To do
1772 so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and skip
1773 to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1774 touching new cache pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All
1775 of these accesses then tell us that we didn't have a match.
1776
1777 Name Hash Tables
1778 """"""""""""""""
1779
1780 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1781 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1782 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1783 the data for all hash values:
1784
1785 .. code-block:: none
1786
1787   .-------------.
1788   |  HEADER     |
1789   |-------------|
1790   |  BUCKETS    |
1791   |-------------|
1792   |  HASHES     |
1793   |-------------|
1794   |  OFFSETS    |
1795   |-------------|
1796   |  DATA       |
1797   `-------------'
1798
1799 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1800 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1801 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1802 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1803 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1804 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1805 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1806 ``OFFSETS`` as:
1807
1808 .. code-block:: none
1809
1810   .-------------------------.
1811   |  HEADER.magic           | uint32_t
1812   |  HEADER.version         | uint16_t
1813   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1814   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1815   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1816   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1817   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1818   |-------------------------|
1819   |  BUCKETS                | uint32_t[bucket_count] // 32 bit hash indexes
1820   |-------------------------|
1821   |  HASHES                 | uint32_t[hashes_count] // 32 bit hash values
1822   |-------------------------|
1823   |  OFFSETS                | uint32_t[hashes_count] // 32 bit offsets to hash value data
1824   |-------------------------|
1825   |  ALL HASH DATA          |
1826   `-------------------------'
1827
1828 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1829 with:
1830
1831 .. code-block:: none
1832
1833               .------------.
1834               | HEADER     |
1835               |------------|
1836               |          0 | BUCKETS[0]
1837               |          2 | BUCKETS[1]
1838               |          5 | BUCKETS[2]
1839               |          6 | BUCKETS[3]
1840               |            | ...
1841               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1842               |------------|
1843               | 0x........ | HASHES[0]
1844               | 0x........ | HASHES[1]
1845               | 0x........ | HASHES[2]
1846               | 0x........ | HASHES[3]
1847               | 0x........ | HASHES[4]
1848               | 0x........ | HASHES[5]
1849               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1850               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1851               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1852               | 0x........ | HASHES[9]
1853               | 0x........ | HASHES[10]
1854               | 0x........ | HASHES[11]
1855               | 0x........ | HASHES[12]
1856               | 0x........ | HASHES[13]
1857               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1858               |------------|
1859               | 0x........ | OFFSETS[0]
1860               | 0x........ | OFFSETS[1]
1861               | 0x........ | OFFSETS[2]
1862               | 0x........ | OFFSETS[3]
1863               | 0x........ | OFFSETS[4]
1864               | 0x........ | OFFSETS[5]
1865               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1866               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1867               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1868               | 0x........ | OFFSETS[9]
1869               | 0x........ | OFFSETS[10]
1870               | 0x........ | OFFSETS[11]
1871               | 0x........ | OFFSETS[12]
1872               | 0x........ | OFFSETS[13]
1873               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1874               |------------|
1875               |            |
1876               |            |
1877               |            |
1878               |            |
1879               |            |
1880               |------------|
1881   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1882               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1883               | 0x........ | HashData[0]
1884               | 0x........ | HashData[1]
1885               | 0x........ | HashData[2]
1886               | 0x........ | HashData[3]
1887               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1888               |------------|
1889   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1890               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1891               | 0x........ | HashData[0]
1892               | 0x........ | HashData[1]
1893               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1894               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1895               | 0x........ | HashData[0]
1896               | 0x........ | HashData[1]
1897               | 0x........ | HashData[2]
1898               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1899               |------------|
1900   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1901               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1902               | 0x........ | HashData[0]
1903               | 0x........ | HashData[1]
1904               | 0x........ | HashData[2]
1905               | 0x........ | HashData[3]
1906               | 0x........ | HashData[4]
1907               | 0x........ | HashData[5]
1908               | 0x........ | HashData[6]
1909               | 0x........ | HashData[7]
1910               | 0x........ | HashData[8]
1911               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1912               `------------'
1913
1914 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1915 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1916 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1917 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1918 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1919 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1920 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1921 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1922 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1923 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1924 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1925 lines being accessed as small as possible.
1926
1927 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1928 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1929 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1930 collisions.
1931
1932 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1933
1934 Details
1935 ^^^^^^^
1936
1937 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1938 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1939 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1940 hash value.
1941
1942 Header Layout
1943 """""""""""""
1944
1945 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1946 header is:
1947
1948 .. code-block:: c
1949
1950   struct Header
1951   {
1952     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1953     uint16_t   version;         // Version number
1954     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1955     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1956     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1957     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
1958                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
1959                                 // include the size of the preceding fields
1960     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
1961   };
1962
1963 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
1964 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
1965 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
1966 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
1967 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
1968 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
1969 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
1970 The current values for the hash function enumerations include:
1971
1972 .. code-block:: c
1973
1974   enum HashFunctionType
1975   {
1976     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
1977   };
1978
1979 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
1980 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
1981 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
1982 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
1983 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
1984 this table.
1985
1986 Fixed Lookup
1987 """"""""""""
1988
1989 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
1990
1991 .. code-block:: c
1992
1993   struct FixedTable
1994   {
1995     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
1996     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
1997     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
1998   };
1999
2000 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
2001 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
2002 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
2003 array that points to the data for the hash value.
2004
2005 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
2006 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
2007 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
2008 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
2009
2010 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
2011 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
2012 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
2013 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
2014 for each name.
2015
2016 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
2017 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
2018 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
2019 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
2020 the data in each atom:
2021
2022 .. code-block:: c
2023
2024   enum AtomType
2025   {
2026     eAtomTypeNULL       = 0u,
2027     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
2028     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
2029     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
2030     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
2031     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
2032   };
2033
2034 The enumeration values and their meanings are:
2035
2036 .. code-block:: none
2037
2038   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
2039   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
2040   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
2041   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
2042   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
2043   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
2044
2045 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
2046 atom type data is encoded:
2047
2048 .. code-block:: c
2049
2050   struct Atom
2051   {
2052     uint16_t type;  // AtomType enum value
2053     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
2054   };
2055
2056 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
2057 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
2058 ``DW_FORM_`` definitions.
2059
2060 .. code-block:: c
2061
2062   struct HeaderData
2063   {
2064     uint32_t die_offset_base;
2065     uint32_t atom_count;
2066     Atoms    atoms[atom_count0];
2067   };
2068
2069 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
2070 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
2071 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
2072 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
2073 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
2074 should be interpreted.
2075
2076 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
2077 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
2078 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
2079 array to be:
2080
2081 .. code-block:: c
2082
2083   HeaderData.atom_count = 1;
2084   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
2085   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
2086
2087 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
2088   encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
2089   multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
2090   function for instance.  Future tables could include more information about the
2091   DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
2092   or inlined.
2093
2094 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
2095   ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
2096   may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
2097   help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
2098   sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
2099   compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
2100   DWARF parsing can be made much faster.
2101
2102 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
2103   needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
2104   at the offset in the hash data consists of a triple:
2105
2106 .. code-block:: c
2107
2108   uint32_t str_offset
2109   uint32_t hash_data_count
2110   HashData[hash_data_count]
2111
2112 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
2113   hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
2114
2115 .. code-block:: none
2116
2117   .------------.
2118   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2119   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2120   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2121   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2122   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2123   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2124   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2125   `------------'
2126
2127 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
2128
2129 .. code-block:: none
2130
2131   .------------.
2132   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2133   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2134   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2135   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2136   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2137   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2138   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
2139   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
2140   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2141   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2142   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2143   `------------'
2144
2145 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
2146 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
2147
2148 Contents
2149 ^^^^^^^^
2150
2151 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
2152 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
2153 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
2154
2155 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2156 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
2157 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
2158 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
2159 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
2160 static variables).  All global and static variables should be included,
2161 including those scoped within functions and classes.  For example using the
2162 following code:
2163
2164 .. code-block:: c
2165
2166   static int var = 0;
2167
2168   void f ()
2169   {
2170     static int var = 0;
2171   }
2172
2173 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
2174 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
2175 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
2176 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
2177 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
2178 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
2179 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
2180
2181 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2182 tag is one of:
2183
2184 * DW_TAG_array_type
2185 * DW_TAG_class_type
2186 * DW_TAG_enumeration_type
2187 * DW_TAG_pointer_type
2188 * DW_TAG_reference_type
2189 * DW_TAG_string_type
2190 * DW_TAG_structure_type
2191 * DW_TAG_subroutine_type
2192 * DW_TAG_typedef
2193 * DW_TAG_union_type
2194 * DW_TAG_ptr_to_member_type
2195 * DW_TAG_set_type
2196 * DW_TAG_subrange_type
2197 * DW_TAG_base_type
2198 * DW_TAG_const_type
2199 * DW_TAG_constant
2200 * DW_TAG_file_type
2201 * DW_TAG_namelist
2202 * DW_TAG_packed_type
2203 * DW_TAG_volatile_type
2204 * DW_TAG_restrict_type
2205 * DW_TAG_interface_type
2206 * DW_TAG_unspecified_type
2207 * DW_TAG_shared_type
2208
2209 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
2210 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
2211 value).  For example, using the following code:
2212
2213 .. code-block:: c
2214
2215   int main ()
2216   {
2217     int *b = 0;
2218     return *b;
2219   }
2220
2221 We get a few type DIEs:
2222
2223 .. code-block:: none
2224
2225   0x00000067:     TAG_base_type [5]
2226                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
2227                   AT_name( "int" )
2228                   AT_byte_size( 0x04 )
2229
2230   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
2231                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
2232                   AT_byte_size( 0x08 )
2233
2234 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
2235
2236 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
2237 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
2238 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
2239 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
2240 standard C++ library that demangles mangled names.
2241
2242
2243 Language Extensions and File Format Changes
2244 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2245
2246 Objective-C Extensions
2247 """"""""""""""""""""""
2248
2249 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
2250 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
2251 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
2252 entry is made for both the class name without the category, and for the class
2253 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
2254 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
2255 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
2256 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
2257 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
2258 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
2259 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
2260 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
2261 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
2262 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
2263 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
2264 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
2265 functions for a class + category name.  This table does not contain any
2266 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
2267 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
2268 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
2269
2270 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
2271 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
2272 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
2273 ("``stringWithCString:``").
2274
2275 Mach-O Changes
2276 """"""""""""""
2277
2278 The sections names for the apple hash tables are for non mach-o files.  For
2279 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
2280 names as follows:
2281
2282 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
2283 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
2284 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
2285 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
2286