include/llvm/IR/DataLayout.h

   1 //===--------- llvm/DataLayout.h - Data size & alignment info ---*- C++ -*-===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file defines layout properties related to datatype size/offset/alignment
  11 // information.  It uses lazy annotations to cache information about how
  12 // structure types are laid out and used.
  13 //
  14 // This structure should be created once, filled in if the defaults are not
  15 // correct and then passed around by const&.  None of the members functions
  16 // require modification to the object.
  17 //
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19
  20 #ifndef LLVM_IR_DATALAYOUT_H
  21 #define LLVM_IR_DATALAYOUT_H
  22
  23 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  24 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  25 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  26 #include "llvm/IR/Type.h"
  27 #include "llvm/Pass.h"
  28 #include "llvm/Support/DataTypes.h"
  29
  30 // This needs to be outside of the namespace, to avoid conflict with llvm-c
  31 // decl.
  32 typedef struct LLVMOpaqueTargetData *LLVMTargetDataRef;
  33
  34 namespace llvm {
  35
  36 class Value;
  37 class Type;
  38 class IntegerType;
  39 class StructType;
  40 class StructLayout;
  41 class Triple;
  42 class GlobalVariable;
  43 class LLVMContext;
  44 template<typename T>
  45 class ArrayRef;
  46
  47 /// Enum used to categorize the alignment types stored by LayoutAlignElem
  48 enum AlignTypeEnum {
  49   INVALID_ALIGN = 0,
  50   INTEGER_ALIGN = 'i',
  51   VECTOR_ALIGN = 'v',
  52   FLOAT_ALIGN = 'f',
  53   AGGREGATE_ALIGN = 'a'
  54 };
  55
  56 /// \brief Layout alignment element.
  57 ///
  58 /// Stores the alignment data associated with a given alignment type (integer,
  59 /// vector, float) and type bit width.
  60 ///
  61 /// \note The unusual order of elements in the structure attempts to reduce
  62 /// padding and make the structure slightly more cache friendly.
  63 struct LayoutAlignElem {
  64   /// \brief Alignment type from \c AlignTypeEnum
  65   unsigned AlignType : 8;
  66   unsigned TypeBitWidth : 24;
  67   unsigned ABIAlign : 16;
  68   unsigned PrefAlign : 16;
  69
  70   static LayoutAlignElem get(AlignTypeEnum align_type, unsigned abi_align,
  71                              unsigned pref_align, uint32_t bit_width);
  72   bool operator==(const LayoutAlignElem &rhs) const;
  73 };
  74
  75 /// \brief Layout pointer alignment element.
  76 ///
  77 /// Stores the alignment data associated with a given pointer and address space.
  78 ///
  79 /// \note The unusual order of elements in the structure attempts to reduce
  80 /// padding and make the structure slightly more cache friendly.
  81 struct PointerAlignElem {
  82   unsigned ABIAlign;
  83   unsigned PrefAlign;
  84   uint32_t TypeByteWidth;
  85   uint32_t AddressSpace;
  86
  87   /// Initializer
  88   static PointerAlignElem get(uint32_t AddressSpace, unsigned ABIAlign,
  89                               unsigned PrefAlign, uint32_t TypeByteWidth);
  90   bool operator==(const PointerAlignElem &rhs) const;
  91 };
  92
  93 /// \brief A parsed version of the target data layout string in and methods for
  94 /// querying it.
  95 ///
  96 /// The target data layout string is specified *by the target* - a frontend
  97 /// generating LLVM IR is required to generate the right target data for the
  98 /// target being codegen'd to.
  99 class DataLayout {
 100 private:
 101   /// Defaults to false.
 102   bool BigEndian;
 103
 104   unsigned StackNaturalAlign;
 105
 106   enum ManglingModeT { MM_None, MM_ELF, MM_MachO, MM_WINCOFF, MM_Mips };
 107   ManglingModeT ManglingMode;
 108
 109   SmallVector<unsigned char, 8> LegalIntWidths;
 110
 111   /// \brief Primitive type alignment data.
 112   SmallVector<LayoutAlignElem, 16> Alignments;
 113
 114   typedef SmallVector<PointerAlignElem, 8> PointersTy;
 115   PointersTy Pointers;
 116
 117   PointersTy::const_iterator
 118   findPointerLowerBound(uint32_t AddressSpace) const {
 119     return const_cast<DataLayout *>(this)->findPointerLowerBound(AddressSpace);
 120   }
 121
 122   PointersTy::iterator findPointerLowerBound(uint32_t AddressSpace);
 123
 124   /// This member is a signal that a requested alignment type and bit width were
 125   /// not found in the SmallVector.
 126   static const LayoutAlignElem InvalidAlignmentElem;
 127
 128   /// This member is a signal that a requested pointer type and bit width were
 129   /// not found in the DenseSet.
 130   static const PointerAlignElem InvalidPointerElem;
 131
 132   // The StructType -> StructLayout map.
 133   mutable void *LayoutMap;
 134
 135   void setAlignment(AlignTypeEnum align_type, unsigned abi_align,
 136                     unsigned pref_align, uint32_t bit_width);
 137   unsigned getAlignmentInfo(AlignTypeEnum align_type, uint32_t bit_width,
 138                             bool ABIAlign, Type *Ty) const;
 139   void setPointerAlignment(uint32_t AddrSpace, unsigned ABIAlign,
 140                            unsigned PrefAlign, uint32_t TypeByteWidth);
 141
 142   /// Internal helper method that returns requested alignment for type.
 143   unsigned getAlignment(Type *Ty, bool abi_or_pref) const;
 144
 145   /// \brief Valid alignment predicate.
 146   ///
 147   /// Predicate that tests a LayoutAlignElem reference returned by get() against
 148   /// InvalidAlignmentElem.
 149   bool validAlignment(const LayoutAlignElem &align) const {
 150     return &align != &InvalidAlignmentElem;
 151   }
 152
 153   /// \brief Valid pointer predicate.
 154   ///
 155   /// Predicate that tests a PointerAlignElem reference returned by get()
 156   /// against \c InvalidPointerElem.
 157   bool validPointer(const PointerAlignElem &align) const {
 158     return &align != &InvalidPointerElem;
 159   }
 160
 161   /// Parses a target data specification string. Assert if the string is
 162   /// malformed.
 163   void parseSpecifier(StringRef LayoutDescription);
 164
 165   // Free all internal data structures.
 166   void clear();
 167
 168 public:
 169   /// Constructs a DataLayout from a specification string. See reset().
 170   explicit DataLayout(StringRef LayoutDescription) : LayoutMap(nullptr) {
 171     reset(LayoutDescription);
 172   }
 173
 174   /// Initialize target data from properties stored in the module.
 175   explicit DataLayout(const Module *M);
 176
 177   void init(const Module *M);
 178
 179   DataLayout(const DataLayout &DL) : LayoutMap(nullptr) { *this = DL; }
 180
 181   DataLayout &operator=(const DataLayout &DL) {
 182     clear();
 183     BigEndian = DL.isBigEndian();
 184     StackNaturalAlign = DL.StackNaturalAlign;
 185     ManglingMode = DL.ManglingMode;
 186     LegalIntWidths = DL.LegalIntWidths;
 187     Alignments = DL.Alignments;
 188     Pointers = DL.Pointers;
 189     return *this;
 190   }
 191
 192   bool operator==(const DataLayout &Other) const;
 193   bool operator!=(const DataLayout &Other) const { return !(*this == Other); }
 194
 195   ~DataLayout(); // Not virtual, do not subclass this class
 196
 197   /// Parse a data layout string (with fallback to default values).
 198   void reset(StringRef LayoutDescription);
 199
 200   /// Layout endianness...
 201   bool isLittleEndian() const { return !BigEndian; }
 202   bool isBigEndian() const { return BigEndian; }
 203
 204   /// \brief Returns the string representation of the DataLayout.
 205   ///
 206   /// This representation is in the same format accepted by the string
 207   /// constructor above.
 208   std::string getStringRepresentation() const;
 209
 210   /// \brief Returns true if the specified type is known to be a native integer
 211   /// type supported by the CPU.
 212   ///
 213   /// For example, i64 is not native on most 32-bit CPUs and i37 is not native
 214   /// on any known one. This returns false if the integer width is not legal.
 215   ///
 216   /// The width is specified in bits.
 217   bool isLegalInteger(unsigned Width) const {
 218     for (unsigned LegalIntWidth : LegalIntWidths)
 219       if (LegalIntWidth == Width)
 220         return true;
 221     return false;
 222   }
 223
 224   bool isIllegalInteger(unsigned Width) const { return !isLegalInteger(Width); }
 225
 226   /// Returns true if the given alignment exceeds the natural stack alignment.
 227   bool exceedsNaturalStackAlignment(unsigned Align) const {
 228     return (StackNaturalAlign != 0) && (Align > StackNaturalAlign);
 229   }
 230
 231   bool hasMicrosoftFastStdCallMangling() const {
 232     return ManglingMode == MM_WINCOFF;
 233   }
 234
 235   bool hasLinkerPrivateGlobalPrefix() const { return ManglingMode == MM_MachO; }
 236
 237   const char *getLinkerPrivateGlobalPrefix() const {
 238     if (ManglingMode == MM_MachO)
 239       return "l";
 240     return getPrivateGlobalPrefix();
 241   }
 242
 243   char getGlobalPrefix() const {
 244     switch (ManglingMode) {
 245     case MM_None:
 246     case MM_ELF:
 247     case MM_Mips:
 248       return '\0';
 249     case MM_MachO:
 250     case MM_WINCOFF:
 251       return '_';
 252     }
 253     llvm_unreachable("invalid mangling mode");
 254   }
 255
 256   const char *getPrivateGlobalPrefix() const {
 257     switch (ManglingMode) {
 258     case MM_None:
 259       return "";
 260     case MM_ELF:
 261       return ".L";
 262     case MM_Mips:
 263       return "$";
 264     case MM_MachO:
 265     case MM_WINCOFF:
 266       return "L";
 267     }
 268     llvm_unreachable("invalid mangling mode");
 269   }
 270
 271   static const char *getManglingComponent(const Triple &T);
 272
 273   /// \brief Returns true if the specified type fits in a native integer type
 274   /// supported by the CPU.
 275   ///
 276   /// For example, if the CPU only supports i32 as a native integer type, then
 277   /// i27 fits in a legal integer type but i45 does not.
 278   bool fitsInLegalInteger(unsigned Width) const {
 279     for (unsigned LegalIntWidth : LegalIntWidths)
 280       if (Width <= LegalIntWidth)
 281         return true;
 282     return false;
 283   }
 284
 285   /// Layout pointer alignment
 286   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 287   /// the backends/clients are updated.
 288   unsigned getPointerABIAlignment(unsigned AS = 0) const;
 289
 290   /// Return target's alignment for stack-based pointers
 291   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 292   /// the backends/clients are updated.
 293   unsigned getPointerPrefAlignment(unsigned AS = 0) const;
 294
 295   /// Layout pointer size
 296   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 297   /// the backends/clients are updated.
 298   unsigned getPointerSize(unsigned AS = 0) const;
 299
 300   /// Layout pointer size, in bits
 301   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 302   /// the backends/clients are updated.
 303   unsigned getPointerSizeInBits(unsigned AS = 0) const {
 304     return getPointerSize(AS) * 8;
 305   }
 306
 307   /// Layout pointer size, in bits, based on the type.  If this function is
 308   /// called with a pointer type, then the type size of the pointer is returned.
 309   /// If this function is called with a vector of pointers, then the type size
 310   /// of the pointer is returned.  This should only be called with a pointer or
 311   /// vector of pointers.
 312   unsigned getPointerTypeSizeInBits(Type *) const;
 313
 314   unsigned getPointerTypeSize(Type *Ty) const {
 315     return getPointerTypeSizeInBits(Ty) / 8;
 316   }
 317
 318   /// Size examples:
 319   ///
 320   /// Type        SizeInBits  StoreSizeInBits  AllocSizeInBits[*]
 321   /// ----        ----------  ---------------  ---------------
 322   ///  i1            1           8                8
 323   ///  i8            8           8                8
 324   ///  i19          19          24               32
 325   ///  i32          32          32               32
 326   ///  i100        100         104              128
 327   ///  i128        128         128              128
 328   ///  Float        32          32               32
 329   ///  Double       64          64               64
 330   ///  X86_FP80     80          80               96
 331   ///
 332   /// [*] The alloc size depends on the alignment, and thus on the target.
 333   ///     These values are for x86-32 linux.
 334
 335   /// \brief Returns the number of bits necessary to hold the specified type.
 336   ///
 337   /// For example, returns 36 for i36 and 80 for x86_fp80. The type passed must
 338   /// have a size (Type::isSized() must return true).
 339   uint64_t getTypeSizeInBits(Type *Ty) const;
 340
 341   /// \brief Returns the maximum number of bytes that may be overwritten by
 342   /// storing the specified type.
 343   ///
 344   /// For example, returns 5 for i36 and 10 for x86_fp80.
 345   uint64_t getTypeStoreSize(Type *Ty) const {
 346     return (getTypeSizeInBits(Ty) + 7) / 8;
 347   }
 348
 349   /// \brief Returns the maximum number of bits that may be overwritten by
 350   /// storing the specified type; always a multiple of 8.
 351   ///
 352   /// For example, returns 40 for i36 and 80 for x86_fp80.
 353   uint64_t getTypeStoreSizeInBits(Type *Ty) const {
 354     return 8 * getTypeStoreSize(Ty);
 355   }
 356
 357   /// \brief Returns the offset in bytes between successive objects of the
 358   /// specified type, including alignment padding.
 359   ///
 360   /// This is the amount that alloca reserves for this type. For example,
 361   /// returns 12 or 16 for x86_fp80, depending on alignment.
 362   uint64_t getTypeAllocSize(Type *Ty) const {
 363     // Round up to the next alignment boundary.
 364     return RoundUpToAlignment(getTypeStoreSize(Ty), getABITypeAlignment(Ty));
 365   }
 366
 367   /// \brief Returns the offset in bits between successive objects of the
 368   /// specified type, including alignment padding; always a multiple of 8.
 369   ///
 370   /// This is the amount that alloca reserves for this type. For example,
 371   /// returns 96 or 128 for x86_fp80, depending on alignment.
 372   uint64_t getTypeAllocSizeInBits(Type *Ty) const {
 373     return 8 * getTypeAllocSize(Ty);
 374   }
 375
 376   /// \brief Returns the minimum ABI-required alignment for the specified type.
 377   unsigned getABITypeAlignment(Type *Ty) const;
 378
 379   /// \brief Returns the minimum ABI-required alignment for an integer type of
 380   /// the specified bitwidth.
 381   unsigned getABIIntegerTypeAlignment(unsigned BitWidth) const;
 382
 383   /// \brief Returns the preferred stack/global alignment for the specified
 384   /// type.
 385   ///
 386   /// This is always at least as good as the ABI alignment.
 387   unsigned getPrefTypeAlignment(Type *Ty) const;
 388
 389   /// \brief Returns the preferred alignment for the specified type, returned as
 390   /// log2 of the value (a shift amount).
 391   unsigned getPreferredTypeAlignmentShift(Type *Ty) const;
 392
 393   /// \brief Returns an integer type with size at least as big as that of a
 394   /// pointer in the given address space.
 395   IntegerType *getIntPtrType(LLVMContext &C, unsigned AddressSpace = 0) const;
 396
 397   /// \brief Returns an integer (vector of integer) type with size at least as
 398   /// big as that of a pointer of the given pointer (vector of pointer) type.
 399   Type *getIntPtrType(Type *) const;
 400
 401   /// \brief Returns the smallest integer type with size at least as big as
 402   /// Width bits.
 403   Type *getSmallestLegalIntType(LLVMContext &C, unsigned Width = 0) const;
 404
 405   /// \brief Returns the largest legal integer type, or null if none are set.
 406   Type *getLargestLegalIntType(LLVMContext &C) const {
 407     unsigned LargestSize = getLargestLegalIntTypeSize();
 408     return (LargestSize == 0) ? nullptr : Type::getIntNTy(C, LargestSize);
 409   }
 410
 411   /// \brief Returns the size of largest legal integer type size, or 0 if none
 412   /// are set.
 413   unsigned getLargestLegalIntTypeSize() const;
 414
 415   /// \brief Returns the offset from the beginning of the type for the specified
 416   /// indices.
 417   ///
 418   /// This is used to implement getelementptr.
 419   uint64_t getIndexedOffset(Type *Ty, ArrayRef<Value *> Indices) const;
 420
 421   /// \brief Returns a StructLayout object, indicating the alignment of the
 422   /// struct, its size, and the offsets of its fields.
 423   ///
 424   /// Note that this information is lazily cached.
 425   const StructLayout *getStructLayout(StructType *Ty) const;
 426
 427   /// \brief Returns the preferred alignment of the specified global.
 428   ///
 429   /// This includes an explicitly requested alignment (if the global has one).
 430   unsigned getPreferredAlignment(const GlobalVariable *GV) const;
 431
 432   /// \brief Returns the preferred alignment of the specified global, returned
 433   /// in log form.
 434   ///
 435   /// This includes an explicitly requested alignment (if the global has one).
 436   unsigned getPreferredAlignmentLog(const GlobalVariable *GV) const;
 437 };
 438
 439 inline DataLayout *unwrap(LLVMTargetDataRef P) {
 440   return reinterpret_cast<DataLayout *>(P);
 441 }
 442
 443 inline LLVMTargetDataRef wrap(const DataLayout *P) {
 444   return reinterpret_cast<LLVMTargetDataRef>(const_cast<DataLayout *>(P));
 445 }
 446
 447 class DataLayoutPass : public ImmutablePass {
 448   DataLayout DL;
 449
 450 public:
 451   /// This has to exist, because this is a pass, but it should never be used.
 452   DataLayoutPass();
 453   ~DataLayoutPass();
 454
 455   const DataLayout &getDataLayout() const { return DL; }
 456
 457   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 458
 459   bool doFinalization(Module &M) override;
 460   bool doInitialization(Module &M) override;
 461 };
 462
 463 /// Used to lazily calculate structure layout information for a target machine,
 464 /// based on the DataLayout structure.
 465 class StructLayout {
 466   uint64_t StructSize;
 467   unsigned StructAlignment;
 468   unsigned NumElements;
 469   uint64_t MemberOffsets[1]; // variable sized array!
 470 public:
 471   uint64_t getSizeInBytes() const { return StructSize; }
 472
 473   uint64_t getSizeInBits() const { return 8 * StructSize; }
 474
 475   unsigned getAlignment() const { return StructAlignment; }
 476
 477   /// \brief Given a valid byte offset into the structure, returns the structure
 478   /// index that contains it.
 479   unsigned getElementContainingOffset(uint64_t Offset) const;
 480
 481   uint64_t getElementOffset(unsigned Idx) const {
 482     assert(Idx < NumElements && "Invalid element idx!");
 483     return MemberOffsets[Idx];
 484   }
 485
 486   uint64_t getElementOffsetInBits(unsigned Idx) const {
 487     return getElementOffset(Idx) * 8;
 488   }
 489
 490 private:
 491   friend class DataLayout; // Only DataLayout can create this class
 492   StructLayout(StructType *ST, const DataLayout &DL);
 493 };
 494
 495 // The implementation of this method is provided inline as it is particularly
 496 // well suited to constant folding when called on a specific Type subclass.
 497 inline uint64_t DataLayout::getTypeSizeInBits(Type *Ty) const {
 498   assert(Ty->isSized() && "Cannot getTypeInfo() on a type that is unsized!");
 499   switch (Ty->getTypeID()) {
 500   case Type::LabelTyID:
 501     return getPointerSizeInBits(0);
 502   case Type::PointerTyID:
 503     return getPointerSizeInBits(Ty->getPointerAddressSpace());
 504   case Type::ArrayTyID: {
 505     ArrayType *ATy = cast<ArrayType>(Ty);
 506     return ATy->getNumElements() *
 507            getTypeAllocSizeInBits(ATy->getElementType());
 508   }
 509   case Type::StructTyID:
 510     // Get the layout annotation... which is lazily created on demand.
 511     return getStructLayout(cast<StructType>(Ty))->getSizeInBits();
 512   case Type::IntegerTyID:
 513     return Ty->getIntegerBitWidth();
 514   case Type::HalfTyID:
 515     return 16;
 516   case Type::FloatTyID:
 517     return 32;
 518   case Type::DoubleTyID:
 519   case Type::X86_MMXTyID:
 520     return 64;
 521   case Type::PPC_FP128TyID:
 522   case Type::FP128TyID:
 523     return 128;
 524   // In memory objects this is always aligned to a higher boundary, but
 525   // only 80 bits contain information.
 526   case Type::X86_FP80TyID:
 527     return 80;
 528   case Type::VectorTyID: {
 529     VectorType *VTy = cast<VectorType>(Ty);
 530     return VTy->getNumElements() * getTypeSizeInBits(VTy->getElementType());
 531   }
 532   default:
 533     llvm_unreachable("DataLayout::getTypeSizeInBits(): Unsupported type");
 534   }
 535 }
 536
 537 } // End llvm namespace
 538
 539 #endif