Make it obvious that we're iterating over a range of pointers.
[oota-llvm.git] / docs / Statepoints.rst
1 =====================================
2 Garbage Collection Safepoints in LLVM
3 =====================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
8
9 Status
10 =======
11
12 This document describes a set of experimental extensions to LLVM. Use
13 with caution.  Because the intrinsics have experimental status,
14 compatibility across LLVM releases is not guaranteed.
15
16 LLVM currently supports an alternate mechanism for conservative
17 garbage collection support using the ``gcroot`` intrinsic.  The mechanism
18 described here shares little in common with the alternate ``gcroot``
19 implementation and it is hoped that this mechanism will eventually
20 replace the gc_root mechanism.
21
22 Overview
23 ========
24
25 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
26 any references to objects contained within executing code, and,
27 depending on the collector, potentially update them.  The collector
28 does not need this information at all points in code - that would make
29 the problem much harder - but only at well-defined points in the
30 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
31 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
32 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
33 running code, a higher standard is required.
34
35 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
36 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
37 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
38 intermediate value must yield an address within the bounds of the
39 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
40 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
41 runtime value of an address to indicate the object it is associated
42 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
43 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
44 its allocation.
45
46 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
47 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
48 load barriers, store barriers, and safepoints.
49
50 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
51    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
52    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
53    loads, merely loads of a particular type (in the original source
54    language), or none at all.
55
56 #. Analogously, a store barrier is a code fragement that runs
57    immediately before the machine store instruction, but after the
58    computation of the value stored.  The most common use of a store
59    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
60    collector.
61
62 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
63    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
64    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
65    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
66    pointed to will not.
67
68   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
69   both the location at which the machine state is parsable and the
70   coordination protocol involved in bring application threads to a
71   point at which the collector can safely use that information.  The
72   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
73   former.
74
75 This document focuses on the last item - compiler support for
76 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
77 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
78 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
79 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
80 the collector must be able to:
81
82 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
83    the compiler itself) at the safepoint,
84 #. identify which object each pointer relates to, and
85 #. potentially update each of those copies.
86
87 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
88 can provide this information to a language runtime/collector, and
89 ensure that all pointers can be read and updated if desired.  The
90 heart of the approach is to construct (or rewrite) the IR in a manner
91 where the possible updates performed by the garbage collector are
92 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
93
94 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
95    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
96    reachable after the safepoint,
97 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
98    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
99    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
100    from performing unsound optimizations.
101 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
102    associated with) for each statepoint.
103
104 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
105 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
106 function which both calls the original target of the call, returns
107 it's result, and returns updated values for any live pointers to
108 garbage collected objects.
109
110   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
111   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
112   base object for every such live pointer, and inserting all the
113   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
114   The recommended approach is to use the :ref:`utility passes 
115   <statepoint-utilities>` described below. 
116
117 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
118 intrinsic calls known collectively as a "statepoint relocation sequence".
119
120 Let's consider a simple call in LLVM IR:
121
122 .. code-block:: llvm
123
124   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
125          gc "statepoint-example" {
126     call void ()* @foo()
127     ret i8 addrspace(1)* %obj
128   }
129
130 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the execution 
131 of ``foo``. If so, we need to let the collector update local values in the 
132 current frame.  If we don't, we'll be accessing a potential invalid reference 
133 once we eventually return from the call.
134
135 In this example, we need to relocate the SSA value ``%obj``.  Since we can't 
136 actually change the value in the SSA value ``%obj``, we need to introduce a new 
137 SSA value ``%obj.relocated`` which represents the potentially changed value of
138 ``%obj`` after the safepoint and update any following uses appropriately.  The 
139 resulting relocation sequence is:
140
141 .. code-block:: llvm
142
143   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
144          gc "statepoint-example" {
145     %0 = call i32 (void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
146     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(i32 %0, i32 9, i32 9)
147     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
148   }
149
150 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
151 return value function (where M is the number of values being
152 relocated + the original call arguments and N is the original return
153 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
154 representation.
155
156 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
157 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
158 exists only at compile time).  To get back the original return value
159 of the call, we use the ``gc.result`` intrinsic.  To get the relocation
160 of each pointer in turn, we use the ``gc.relocate`` intrinsic with the
161 appropriate index.  Note that both the ``gc.relocate`` and ``gc.result`` are
162 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint relocation 
163 sequence" and represents the entitety of a parseable call or 'statepoint'.
164
165 When lowered, this example would generate the following x86 assembly:
166
167 .. code-block:: gas
168   
169           .globl        test1
170           .align        16, 0x90
171           pushq %rax
172           callq foo
173   .Ltmp1:
174           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
175           popq  %rdx
176           retq
177
178 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
179 stack, and a record of that location has been recorded to the
180 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
181 needs to update any of these pointers during the call, it knows
182 exactly what to change.
183
184 The relevant parts of the StackMap section for our example are:
185
186 .. code-block:: gas
187   
188   # This describes the call site
189   # Stack Maps: callsite 2882400000
190           .quad 2882400000
191           .long .Ltmp1-test1
192           .short        0
193   # .. 8 entries skipped ..
194   # This entry describes the spill slot which is directly addressable
195   # off RSP with offset 0.  Given the value was spilled with a pushq, 
196   # that makes sense.
197   # Stack Maps:   Loc 8: Direct RSP     [encoding: .byte 2, .byte 8, .short 7, .int 0]
198           .byte 2
199           .byte 8
200           .short        7
201           .long 0
202
203 This example was taken from the tests for the :ref:`RewriteStatepointsForGC` utility pass.  As such, it's full StackMap can be easily examined with the following command.
204
205 .. code-block:: bash
206
207   opt -rewrite-statepoints-for-gc test/Transforms/RewriteStatepointsForGC/basics.ll -S | llc -debug-only=stackmaps
208
209
210
211
212
213 Intrinsics
214 ===========
215
216 'llvm.experimental.gc.statepoint' Intrinsic
217 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
218
219 Syntax:
220 """""""
221
222 ::
223
224       declare i32
225         @llvm.experimental.gc.statepoint(func_type <target>, 
226                        i64 <#call args>. i64 <unused>, 
227                        ... (call parameters),
228                        i64 <# deopt args>, ... (deopt parameters),
229                        ... (gc parameters))
230
231 Overview:
232 """""""""
233
234 The statepoint intrinsic represents a call which is parse-able by the
235 runtime.
236
237 Operands:
238 """""""""
239
240 The 'target' operand is the function actually being called.  The
241 target can be specified as either a symbolic LLVM function, or as an
242 arbitrary Value of appropriate function type.  Note that the function
243 type must match the signature of the callee and the types of the 'call
244 parameters' arguments.
245
246 The '#call args' operand is the number of arguments to the actual
247 call.  It must exactly match the number of arguments passed in the
248 'call parameters' variable length section.
249
250 The 'unused' operand is unused and likely to be removed.  Please do
251 not use.
252
253 The 'call parameters' arguments are simply the arguments which need to
254 be passed to the call target.  They will be lowered according to the
255 specified calling convention and otherwise handled like a normal call
256 instruction.  The number of arguments must exactly match what is
257 specified in '# call args'.  The types must match the signature of
258 'target'.
259
260 The 'deopt parameters' arguments contain an arbitrary list of Values
261 which is meaningful to the runtime.  The runtime may read any of these
262 values, but is assumed not to modify them.  If the garbage collector
263 might need to modify one of these values, it must also be listed in
264 the 'gc pointer' argument list.  The '# deopt args' field indicates
265 how many operands are to be interpreted as 'deopt parameters'.
266
267 The 'gc parameters' arguments contain every pointer to a garbage
268 collector object which potentially needs to be updated by the garbage
269 collector.  Note that the argument list must explicitly contain a base
270 pointer for every derived pointer listed.  The order of arguments is
271 unimportant.  Unlike the other variable length parameter sets, this
272 list is not length prefixed.
273
274 Semantics:
275 """"""""""
276
277 A statepoint is assumed to read and write all memory.  As a result,
278 memory operations can not be reordered past a statepoint.  It is
279 illegal to mark a statepoint as being either 'readonly' or 'readnone'.
280
281 Note that legal IR can not perform any memory operation on a 'gc
282 pointer' argument of the statepoint in a location statically reachable
283 from the statepoint.  Instead, the explicitly relocated value (from a
284 ``gc.relocate``) must be used.
285
286 'llvm.experimental.gc.result' Intrinsic
287 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
288
289 Syntax:
290 """""""
291
292 ::
293
294       declare type*
295         @llvm.experimental.gc.result(i32 %statepoint_token)
296
297 Overview:
298 """""""""
299
300 ``gc.result`` extracts the result of the original call instruction
301 which was replaced by the ``gc.statepoint``.  The ``gc.result``
302 intrinsic is actually a family of three intrinsics due to an
303 implementation limitation.  Other than the type of the return value,
304 the semantics are the same.
305
306 Operands:
307 """""""""
308
309 The first and only argument is the ``gc.statepoint`` which starts
310 the safepoint sequence of which this ``gc.result`` is a part.
311 Despite the typing of this as a generic i32, *only* the value defined
312 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
313
314 Semantics:
315 """"""""""
316
317 The ``gc.result`` represents the return value of the call target of
318 the ``statepoint``.  The type of the ``gc.result`` must exactly match
319 the type of the target.  If the call target returns void, there will
320 be no ``gc.result``.
321
322 A ``gc.result`` is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
323 side effects since it is just a projection of the return value of the
324 previous call represented by the ``gc.statepoint``.
325
326 'llvm.experimental.gc.relocate' Intrinsic
327 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
328
329 Syntax:
330 """""""
331
332 ::
333
334       declare <pointer type>
335         @llvm.experimental.gc.relocate(i32 %statepoint_token, 
336                                        i32 %base_offset, 
337                                        i32 %pointer_offset)
338
339 Overview:
340 """""""""
341
342 A ``gc.relocate`` returns the potentially relocated value of a pointer
343 at the safepoint.
344
345 Operands:
346 """""""""
347
348 The first argument is the ``gc.statepoint`` which starts the
349 safepoint sequence of which this ``gc.relocation`` is a part.
350 Despite the typing of this as a generic i32, *only* the value defined
351 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
352
353 The second argument is an index into the statepoints list of arguments
354 which specifies the base pointer for the pointer being relocated.
355 This index must land within the 'gc parameter' section of the
356 statepoint's argument list.
357
358 The third argument is an index into the statepoint's list of arguments
359 which specify the (potentially) derived pointer being relocated.  It
360 is legal for this index to be the same as the second argument
361 if-and-only-if a base pointer is being relocated. This index must land
362 within the 'gc parameter' section of the statepoint's argument list.
363
364 Semantics:
365 """"""""""
366
367 The return value of ``gc.relocate`` is the potentially relocated value
368 of the pointer specified by it's arguments.  It is unspecified how the
369 value of the returned pointer relates to the argument to the
370 ``gc.statepoint`` other than that a) it points to the same source
371 language object with the same offset, and b) the 'based-on'
372 relationship of the newly relocated pointers is a projection of the
373 unrelocated pointers.  In particular, the integer value of the pointer
374 returned is unspecified.
375
376 A ``gc.relocate`` is modeled as a ``readnone`` pure function.  It has no
377 side effects since it is just a way to extract information about work
378 done during the actual call modeled by the ``gc.statepoint``.
379
380 .. _statepoint-stackmap-format:
381
382 Stack Map Format
383 ================
384
385 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
386 the runtime or collector are provided via the :ref:`Stack Map format
387 <stackmap-format>` specified in the PatchPoint documentation.
388
389 Each statepoint generates the following Locations:
390
391 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
392   operands)
393 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in
394   the IR statepoint (same number as described by previous Constant)
395 * Variable number of Locations pairs, one pair for each unique pointer
396   which needs relocated.  The first Location in each pair describes
397   the base pointer for the object.  The second is the derived pointer
398   actually being relocated.  It is guaranteed that the base pointer
399   must also appear explicitly as a relocation pair if used after the
400   statepoint. There may be fewer pairs then gc parameters in the IR
401   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
402   are possible.
403
404 Note that the Locations used in each section may describe the same
405 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
406 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
407
408 The ID field of the 'StkMapRecord' for a statepoint is meaningless and
409 it's value is explicitly unspecified.
410
411 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
412 record.
413
414 Safepoint Semantics & Verification
415 ==================================
416
417 The fundamental correctness property for the compiled code's
418 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
419 the case that there is no dynamic trace such that a operation
420 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
421 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
422 means that an outside observer could observe this sequence of events
423 in a way which precludes the operation being performed before the
424 safepoint.
425
426 To understand why this 'observable-after' property is required,
427 consider a null comparison performed on the original copy of a
428 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
429 there is no way to observe externally whether the null comparison is
430 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
431 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
432 either scheduling choice.
433
434 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
435 this.  We require that there be no *static path* on which a
436 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
437 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
438 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
439 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
440
441 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
442 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
443 the design.
444
445 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
446 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
447 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
448 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
449 a verifier.  Please ask on llvmdev if you're interested in
450 experimenting with the current version.
451
452 .. _statepoint-utilities:
453
454 Utility Passes for Safepoint Insertion
455 ======================================
456
457 .. _RewriteStatepointsForGC:
458
459 RewriteStatepointsForGC
460 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
461
462 The pass RewriteStatepointsForGC transforms a functions IR by replacing a 
463 ``gc.statepoint`` (with an optional ``gc.result``) with a full relocation 
464 sequence, including all required ``gc.relocates``.  To function, the pass 
465 requires that the GC strategy specified for the function be able to reliably 
466 distinguish between GC references and non-GC references in IR it is given.
467
468 As an example, given this code:
469
470 .. code-block:: llvm
471
472   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
473          gc "statepoint-example" {
474     call i32 (void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0)
475     ret i8 addrspace(1)* %obj
476   }
477
478 The pass would produce this IR:
479
480 .. code-block:: llvm
481
482   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
483          gc "statepoint-example" {
484     %0 = call i32 (void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
485     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(i32 %0, i32 9, i32 9)
486     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
487   }
488
489 In the above examples, the addrspace(1) marker on the pointers is the mechanism
490 that the ``statepoint-example`` GC strategy uses to distinguish references from
491 non references.  Address space 1 is not globally reserved for this purpose.
492
493 This pass can be used an utility function by a language frontend that doesn't 
494 want to manually reason about liveness, base pointers, or relocation when 
495 constructing IR.  As currently implemented, RewriteStatepointsForGC must be 
496 run after SSA construction (i.e. mem2ref).  
497
498
499 In practice, RewriteStatepointsForGC can be run much later in the pass 
500 pipeline, after most optimization is already done.  This helps to improve 
501 the quality of the generated code when compiled with garbage collection support.
502 In the long run, this is the intended usage model.  At this time, a few details
503 have yet to be worked out about the semantic model required to guarantee this 
504 is always correct.  As such, please use with caution and report bugs.
505
506 .. _PlaceSafepoints:
507
508 PlaceSafepoints
509 ^^^^^^^^^^^^^^^^
510
511 The pass PlaceSafepoints transforms a function's IR by replacing any call or 
512 invoke instructions with appropriate ``gc.statepoint`` and ``gc.result`` pairs,
513 and inserting safepoint polls sufficient to ensure running code checks for a 
514 safepoint request on a timely manner.  This pass is expected to be run before 
515 RewriteStatepointsForGC and thus does not produce full relocation sequences.  
516
517 As an example, given input IR of the following:
518
519 .. code-block:: llvm
520
521   define void @test() gc "statepoint-example" {
522     call void @foo()
523     ret void
524   }
525
526   declare void @do_safepoint()
527   define void @gc.safepoint_poll() {
528     call void @do_safepoint()
529     ret void
530   }
531
532
533 This pass would produce the following IR:
534
535 .. code-block:: llvm
536
537   define void @test() gc "statepoint-example" {
538     %safepoint_token = call i32 (void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(void ()* @do_safepoint, i32 0, i32 0, i32 0)
539     %safepoint_token1 = call i32 (void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0)
540     ret void
541   }
542
543 In this case, we've added an (unconditional) entry safepoint poll and converted the call into a ``gc.statepoint``.  Note that despite appearances, the entry poll is not necessarily redundant.  We'd have to know that ``foo`` and ``test`` were not mutually recursive for the poll to be redundant.  In practice, you'd probably want to your poll definition to contain a conditional branch of some form.
544
545
546 At the moment, PlaceSafepoints can insert safepoint polls at method entry and 
547 loop backedges locations.  Extending this to work with return polls would be 
548 straight forward if desired.
549
550 PlaceSafepoints includes a number of optimizations to avoid placing safepoint 
551 polls at particular sites unless needed to ensure timely execution of a poll 
552 under normal conditions.  PlaceSafepoints does not attempt to ensure timely 
553 execution of a poll under worst case conditions such as heavy system paging.
554
555 The implementation of a safepoint poll action is specified by looking up a 
556 function of the name ``gc.safepoint_poll`` in the containing Module.  The body
557 of this function is inserted at each poll site desired.  While calls or invokes
558 inside this method are transformed to a ``gc.statepoints``, recursive poll 
559 insertion is not performed.
560
561 If you are scheduling the RewriteStatepointsForGC pass late in the pass order,
562 you should probably schedule this pass immediately before it.  The exception 
563 would be if you need to preserve abstract frame information (e.g. for
564 deoptimization or introspection) at safepoints.  In that case, ask on the 
565 llvmdev mailing list for suggestions.
566
567
568 Bugs and Enhancements
569 =====================
570
571 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
572 tracked by performing a `bugzilla search
573 <http://llvm.org/bugs/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
574 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
575 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
576 with most LLVM features, design discussions take place on `llvmdev
577 <http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvmdev>`_, and patches
578 should be sent to `llvm-commits
579 <http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.
580