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 decl
  31 typedef struct LLVMOpaqueTargetData *LLVMTargetDataRef;
  32
  33 namespace llvm {
  34
  35 class Value;
  36 class Type;
  37 class IntegerType;
  38 class StructType;
  39 class StructLayout;
  40 class Triple;
  41 class GlobalVariable;
  42 class LLVMContext;
  43 template<typename T>
  44 class ArrayRef;
  45
  46 /// Enum used to categorize the alignment types stored by LayoutAlignElem
  47 enum AlignTypeEnum {
  48   INVALID_ALIGN = 0,                 ///< An invalid alignment
  49   INTEGER_ALIGN = 'i',               ///< Integer type alignment
  50   VECTOR_ALIGN = 'v',                ///< Vector type alignment
  51   FLOAT_ALIGN = 'f',                 ///< Floating point type alignment
  52   AGGREGATE_ALIGN = 'a'              ///< Aggregate alignment
  53 };
  54
  55 /// Layout alignment element.
  56 ///
  57 /// Stores the alignment data associated with a given alignment type (integer,
  58 /// vector, float) and type bit width.
  59 ///
  60 /// @note The unusual order of elements in the structure attempts to reduce
  61 /// padding and make the structure slightly more cache friendly.
  62 struct LayoutAlignElem {
  63   unsigned AlignType    : 8;  ///< Alignment type (AlignTypeEnum)
  64   unsigned TypeBitWidth : 24; ///< Type bit width
  65   unsigned ABIAlign     : 16; ///< ABI alignment for this type/bitw
  66   unsigned PrefAlign    : 16; ///< Pref. alignment for this type/bitw
  67
  68   /// Initializer
  69   static LayoutAlignElem get(AlignTypeEnum align_type, unsigned abi_align,
  70                              unsigned pref_align, uint32_t bit_width);
  71   /// Equality predicate
  72   bool operator==(const LayoutAlignElem &rhs) const;
  73 };
  74
  75 /// 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;       ///< ABI alignment for this type/bitw
  83   unsigned            PrefAlign;      ///< Pref. alignment for this type/bitw
  84   uint32_t            TypeByteWidth;  ///< Type byte width
  85   uint32_t            AddressSpace;   ///< Address space for the pointer type
  86
  87   /// Initializer
  88   static PointerAlignElem get(uint32_t AddressSpace, unsigned ABIAlign,
  89                              unsigned PrefAlign, uint32_t TypeByteWidth);
  90   /// Equality predicate
  91   bool operator==(const PointerAlignElem &rhs) const;
  92 };
  93
  94 /// This class holds a parsed version of the target data layout string in a
  95 /// module and provides methods for querying it. The target data layout string
  96 /// is specified *by the target* - a frontend generating LLVM IR is required to
  97 /// generate the right target data for the target being codegen'd to.
  98 class DataLayout {
  99 private:
 100   bool          LittleEndian;          ///< Defaults to false
 101   unsigned      StackNaturalAlign;     ///< Stack natural alignment
 102
 103   enum ManglingModeT {
 104     MM_None,
 105     MM_ELF,
 106     MM_MachO,
 107     MM_WINCOFF,
 108     MM_Mips
 109   };
 110   ManglingModeT ManglingMode;
 111
 112   SmallVector<unsigned char, 8> LegalIntWidths; ///< Legal Integers.
 113
 114   /// Alignments - Where the primitive type alignment data is stored.
 115   ///
 116   /// @sa reset().
 117   /// @note Could support multiple size pointer alignments, e.g., 32-bit
 118   /// pointers vs. 64-bit pointers by extending LayoutAlignment, but for now,
 119   /// we don't.
 120   SmallVector<LayoutAlignElem, 16> Alignments;
 121   typedef SmallVector<PointerAlignElem, 8> PointersTy;
 122   PointersTy Pointers;
 123
 124   PointersTy::const_iterator
 125   findPointerLowerBound(uint32_t AddressSpace) const {
 126     return const_cast<DataLayout *>(this)->findPointerLowerBound(AddressSpace);
 127   }
 128
 129   PointersTy::iterator findPointerLowerBound(uint32_t AddressSpace);
 130
 131   /// InvalidAlignmentElem - This member is a signal that a requested alignment
 132   /// type and bit width were not found in the SmallVector.
 133   static const LayoutAlignElem InvalidAlignmentElem;
 134
 135   /// InvalidPointerElem - This member is a signal that a requested pointer
 136   /// type and bit width were not found in the DenseSet.
 137   static const PointerAlignElem InvalidPointerElem;
 138
 139   // The StructType -> StructLayout map.
 140   mutable void *LayoutMap;
 141
 142   //! Set/initialize target alignments
 143   void setAlignment(AlignTypeEnum align_type, unsigned abi_align,
 144                     unsigned pref_align, uint32_t bit_width);
 145   unsigned getAlignmentInfo(AlignTypeEnum align_type, uint32_t bit_width,
 146                             bool ABIAlign, Type *Ty) const;
 147
 148   //! Set/initialize pointer alignments
 149   void setPointerAlignment(uint32_t AddrSpace, unsigned ABIAlign,
 150                            unsigned PrefAlign, uint32_t TypeByteWidth);
 151
 152   //! Internal helper method that returns requested alignment for type.
 153   unsigned getAlignment(Type *Ty, bool abi_or_pref) const;
 154
 155   /// Valid alignment predicate.
 156   ///
 157   /// Predicate that tests a LayoutAlignElem reference returned by get() against
 158   /// InvalidAlignmentElem.
 159   bool validAlignment(const LayoutAlignElem &align) const {
 160     return &align != &InvalidAlignmentElem;
 161   }
 162
 163   /// Valid pointer predicate.
 164   ///
 165   /// Predicate that tests a PointerAlignElem reference returned by get() against
 166   /// InvalidPointerElem.
 167   bool validPointer(const PointerAlignElem &align) const {
 168     return &align != &InvalidPointerElem;
 169   }
 170
 171   /// Parses a target data specification string. Assert if the string is
 172   /// malformed.
 173   void parseSpecifier(StringRef LayoutDescription);
 174
 175   // Free all internal data structures.
 176   void clear();
 177
 178 public:
 179   /// Constructs a DataLayout from a specification string. See reset().
 180   explicit DataLayout(StringRef LayoutDescription) : LayoutMap(nullptr) {
 181     reset(LayoutDescription);
 182   }
 183
 184   /// Initialize target data from properties stored in the module.
 185   explicit DataLayout(const Module *M);
 186
 187   void init(const Module *M);
 188
 189   DataLayout(const DataLayout &DL) : LayoutMap(nullptr) { *this = DL; }
 190
 191   DataLayout &operator=(const DataLayout &DL) {
 192     clear();
 193     LittleEndian = DL.isLittleEndian();
 194     StackNaturalAlign = DL.StackNaturalAlign;
 195     ManglingMode = DL.ManglingMode;
 196     LegalIntWidths = DL.LegalIntWidths;
 197     Alignments = DL.Alignments;
 198     Pointers = DL.Pointers;
 199     return *this;
 200   }
 201
 202   bool operator==(const DataLayout &Other) const;
 203   bool operator!=(const DataLayout &Other) const { return !(*this == Other); }
 204
 205   ~DataLayout();  // Not virtual, do not subclass this class
 206
 207   /// Parse a data layout string (with fallback to default values).
 208   void reset(StringRef LayoutDescription);
 209
 210   /// Layout endianness...
 211   bool isLittleEndian() const { return LittleEndian; }
 212   bool isBigEndian() const { return !LittleEndian; }
 213
 214   /// getStringRepresentation - Return the string representation of the
 215   /// DataLayout.  This representation is in the same format accepted by the
 216   /// string constructor above.
 217   std::string getStringRepresentation() const;
 218
 219   /// isLegalInteger - This function returns true if the specified type is
 220   /// known to be a native integer type supported by the CPU.  For example,
 221   /// i64 is not native on most 32-bit CPUs and i37 is not native on any known
 222   /// one.  This returns false if the integer width is not legal.
 223   ///
 224   /// The width is specified in bits.
 225   ///
 226   bool isLegalInteger(unsigned Width) const {
 227     for (unsigned LegalIntWidth : LegalIntWidths)
 228       if (LegalIntWidth == Width)
 229         return true;
 230     return false;
 231   }
 232
 233   bool isIllegalInteger(unsigned Width) const {
 234     return !isLegalInteger(Width);
 235   }
 236
 237   /// Returns true if the given alignment exceeds the natural stack alignment.
 238   bool exceedsNaturalStackAlignment(unsigned Align) const {
 239     return (StackNaturalAlign != 0) && (Align > StackNaturalAlign);
 240   }
 241
 242   bool hasMicrosoftFastStdCallMangling() const {
 243     return ManglingMode == MM_WINCOFF;
 244   }
 245
 246   bool hasLinkerPrivateGlobalPrefix() const {
 247     return ManglingMode == MM_MachO;
 248   }
 249
 250   const char *getLinkerPrivateGlobalPrefix() const {
 251     if (ManglingMode == MM_MachO)
 252       return "l";
 253     return getPrivateGlobalPrefix();
 254   }
 255
 256   char getGlobalPrefix() const {
 257     switch (ManglingMode) {
 258     case MM_None:
 259     case MM_ELF:
 260     case MM_Mips:
 261       return '\0';
 262     case MM_MachO:
 263     case MM_WINCOFF:
 264       return '_';
 265     }
 266     llvm_unreachable("invalid mangling mode");
 267   }
 268
 269   const char *getPrivateGlobalPrefix() const {
 270     switch (ManglingMode) {
 271     case MM_None:
 272       return "";
 273     case MM_ELF:
 274       return ".L";
 275     case MM_Mips:
 276       return "$";
 277     case MM_MachO:
 278     case MM_WINCOFF:
 279       return "L";
 280     }
 281     llvm_unreachable("invalid mangling mode");
 282   }
 283
 284   static const char *getManglingComponent(const Triple &T);
 285
 286   /// fitsInLegalInteger - This function returns true if the specified type fits
 287   /// in a native integer type supported by the CPU.  For example, if the CPU
 288   /// only supports i32 as a native integer type, then i27 fits in a legal
 289   /// integer type but i45 does not.
 290   bool fitsInLegalInteger(unsigned Width) const {
 291     for (unsigned LegalIntWidth : LegalIntWidths)
 292       if (Width <= LegalIntWidth)
 293         return true;
 294     return false;
 295   }
 296
 297   /// Layout pointer alignment
 298   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 299   /// the backends/clients are updated.
 300   unsigned getPointerABIAlignment(unsigned AS = 0) const;
 301
 302   /// Return target's alignment for stack-based pointers
 303   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 304   /// the backends/clients are updated.
 305   unsigned getPointerPrefAlignment(unsigned AS = 0) const;
 306
 307   /// Layout pointer size
 308   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 309   /// the backends/clients are updated.
 310   unsigned getPointerSize(unsigned AS = 0) const;
 311
 312   /// Layout pointer size, in bits
 313   /// FIXME: The defaults need to be removed once all of
 314   /// the backends/clients are updated.
 315   unsigned getPointerSizeInBits(unsigned AS = 0) const {
 316     return getPointerSize(AS) * 8;
 317   }
 318
 319   /// Layout pointer size, in bits, based on the type.  If this function is
 320   /// called with a pointer type, then the type size of the pointer is returned.
 321   /// If this function is called with a vector of pointers, then the type size
 322   /// of the pointer is returned.  This should only be called with a pointer or
 323   /// vector of pointers.
 324   unsigned getPointerTypeSizeInBits(Type *) const;
 325
 326   unsigned getPointerTypeSize(Type *Ty) const {
 327     return getPointerTypeSizeInBits(Ty) / 8;
 328   }
 329
 330   /// Size examples:
 331   ///
 332   /// Type        SizeInBits  StoreSizeInBits  AllocSizeInBits[*]
 333   /// ----        ----------  ---------------  ---------------
 334   ///  i1            1           8                8
 335   ///  i8            8           8                8
 336   ///  i19          19          24               32
 337   ///  i32          32          32               32
 338   ///  i100        100         104              128
 339   ///  i128        128         128              128
 340   ///  Float        32          32               32
 341   ///  Double       64          64               64
 342   ///  X86_FP80     80          80               96
 343   ///
 344   /// [*] The alloc size depends on the alignment, and thus on the target.
 345   ///     These values are for x86-32 linux.
 346
 347   /// getTypeSizeInBits - Return the number of bits necessary to hold the
 348   /// specified type.  For example, returns 36 for i36 and 80 for x86_fp80.
 349   /// The type passed must have a size (Type::isSized() must return true).
 350   uint64_t getTypeSizeInBits(Type *Ty) const;
 351
 352   /// getTypeStoreSize - Return the maximum number of bytes that may be
 353   /// overwritten by storing the specified type.  For example, returns 5
 354   /// for i36 and 10 for x86_fp80.
 355   uint64_t getTypeStoreSize(Type *Ty) const {
 356     return (getTypeSizeInBits(Ty)+7)/8;
 357   }
 358
 359   /// getTypeStoreSizeInBits - Return the maximum number of bits that may be
 360   /// overwritten by storing the specified type; always a multiple of 8.  For
 361   /// example, returns 40 for i36 and 80 for x86_fp80.
 362   uint64_t getTypeStoreSizeInBits(Type *Ty) const {
 363     return 8*getTypeStoreSize(Ty);
 364   }
 365
 366   /// getTypeAllocSize - Return the offset in bytes between successive objects
 367   /// of the specified type, including alignment padding.  This is the amount
 368   /// that alloca reserves for this type.  For example, returns 12 or 16 for
 369   /// x86_fp80, depending on alignment.
 370   uint64_t getTypeAllocSize(Type *Ty) const {
 371     // Round up to the next alignment boundary.
 372     return RoundUpAlignment(getTypeStoreSize(Ty), getABITypeAlignment(Ty));
 373   }
 374
 375   /// getTypeAllocSizeInBits - Return the offset in bits between successive
 376   /// objects of the specified type, including alignment padding; always a
 377   /// multiple of 8.  This is the amount that alloca reserves for this type.
 378   /// For example, returns 96 or 128 for x86_fp80, depending on alignment.
 379   uint64_t getTypeAllocSizeInBits(Type *Ty) const {
 380     return 8*getTypeAllocSize(Ty);
 381   }
 382
 383   /// getABITypeAlignment - Return the minimum ABI-required alignment for the
 384   /// specified type.
 385   unsigned getABITypeAlignment(Type *Ty) const;
 386
 387   /// getABIIntegerTypeAlignment - Return the minimum ABI-required alignment for
 388   /// an integer type of the specified bitwidth.
 389   unsigned getABIIntegerTypeAlignment(unsigned BitWidth) const;
 390
 391   /// getPrefTypeAlignment - Return the preferred stack/global alignment for
 392   /// the specified type.  This is always at least as good as the ABI alignment.
 393   unsigned getPrefTypeAlignment(Type *Ty) const;
 394
 395   /// getPreferredTypeAlignmentShift - Return the preferred alignment for the
 396   /// specified type, returned as log2 of the value (a shift amount).
 397   unsigned getPreferredTypeAlignmentShift(Type *Ty) const;
 398
 399   /// getIntPtrType - Return an integer type with size at least as big as that
 400   /// of a pointer in the given address space.
 401   IntegerType *getIntPtrType(LLVMContext &C, unsigned AddressSpace = 0) const;
 402
 403   /// getIntPtrType - Return an integer (vector of integer) type with size at
 404   /// least as big as that of a pointer of the given pointer (vector of pointer)
 405   /// type.
 406   Type *getIntPtrType(Type *) const;
 407
 408   /// getSmallestLegalIntType - Return the smallest integer type with size at
 409   /// least as big as Width bits.
 410   Type *getSmallestLegalIntType(LLVMContext &C, unsigned Width = 0) const;
 411
 412   /// getLargestLegalIntType - Return the largest legal integer type, or null if
 413   /// none are set.
 414   Type *getLargestLegalIntType(LLVMContext &C) const {
 415     unsigned LargestSize = getLargestLegalIntTypeSize();
 416     return (LargestSize == 0) ? nullptr : Type::getIntNTy(C, LargestSize);
 417   }
 418
 419   /// getLargestLegalIntTypeSize - Return the size of largest legal integer
 420   /// type size, or 0 if none are set.
 421   unsigned getLargestLegalIntTypeSize() const;
 422
 423   /// getIndexedOffset - return the offset from the beginning of the type for
 424   /// the specified indices.  This is used to implement getelementptr.
 425   uint64_t getIndexedOffset(Type *Ty, ArrayRef<Value *> Indices) const;
 426
 427   /// getStructLayout - Return a StructLayout object, indicating the alignment
 428   /// of the struct, its size, and the offsets of its fields.  Note that this
 429   /// information is lazily cached.
 430   const StructLayout *getStructLayout(StructType *Ty) const;
 431
 432   /// getPreferredAlignment - Return the preferred alignment of the specified
 433   /// global.  This includes an explicitly requested alignment (if the global
 434   /// has one).
 435   unsigned getPreferredAlignment(const GlobalVariable *GV) const;
 436
 437   /// getPreferredAlignmentLog - Return the preferred alignment of the
 438   /// specified global, returned in log form.  This includes an explicitly
 439   /// requested alignment (if the global has one).
 440   unsigned getPreferredAlignmentLog(const GlobalVariable *GV) const;
 441
 442   /// RoundUpAlignment - Round the specified value up to the next alignment
 443   /// boundary specified by Alignment.  For example, 7 rounded up to an
 444   /// alignment boundary of 4 is 8.  8 rounded up to the alignment boundary of 4
 445   /// is 8 because it is already aligned.
 446   template <typename UIntTy>
 447   static UIntTy RoundUpAlignment(UIntTy Val, unsigned Alignment) {
 448     assert((Alignment & (Alignment-1)) == 0 && "Alignment must be power of 2!");
 449     return (Val + (Alignment-1)) & ~UIntTy(Alignment-1);
 450   }
 451 };
 452
 453 inline DataLayout *unwrap(LLVMTargetDataRef P) {
 454    return reinterpret_cast<DataLayout*>(P);
 455 }
 456
 457 inline LLVMTargetDataRef wrap(const DataLayout *P) {
 458    return reinterpret_cast<LLVMTargetDataRef>(const_cast<DataLayout*>(P));
 459 }
 460
 461 class DataLayoutPass : public ImmutablePass {
 462   DataLayout DL;
 463
 464 public:
 465   /// This has to exist, because this is a pass, but it should never be used.
 466   DataLayoutPass();
 467   ~DataLayoutPass();
 468
 469   const DataLayout &getDataLayout() const { return DL; }
 470
 471   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 472
 473   bool doFinalization(Module &M) override;
 474   bool doInitialization(Module &M) override;
 475 };
 476
 477 /// StructLayout - used to lazily calculate structure layout information for a
 478 /// target machine, based on the DataLayout structure.
 479 ///
 480 class StructLayout {
 481   uint64_t StructSize;
 482   unsigned StructAlignment;
 483   unsigned NumElements;
 484   uint64_t MemberOffsets[1];  // variable sized array!
 485 public:
 486
 487   uint64_t getSizeInBytes() const {
 488     return StructSize;
 489   }
 490
 491   uint64_t getSizeInBits() const {
 492     return 8*StructSize;
 493   }
 494
 495   unsigned getAlignment() const {
 496     return StructAlignment;
 497   }
 498
 499   /// getElementContainingOffset - Given a valid byte offset into the structure,
 500   /// return the structure index that contains it.
 501   ///
 502   unsigned getElementContainingOffset(uint64_t Offset) const;
 503
 504   uint64_t getElementOffset(unsigned Idx) const {
 505     assert(Idx < NumElements && "Invalid element idx!");
 506     return MemberOffsets[Idx];
 507   }
 508
 509   uint64_t getElementOffsetInBits(unsigned Idx) const {
 510     return getElementOffset(Idx)*8;
 511   }
 512
 513 private:
 514   friend class DataLayout;   // Only DataLayout can create this class
 515   StructLayout(StructType *ST, const DataLayout &DL);
 516 };
 517
 518
 519 // The implementation of this method is provided inline as it is particularly
 520 // well suited to constant folding when called on a specific Type subclass.
 521 inline uint64_t DataLayout::getTypeSizeInBits(Type *Ty) const {
 522   assert(Ty->isSized() && "Cannot getTypeInfo() on a type that is unsized!");
 523   switch (Ty->getTypeID()) {
 524   case Type::LabelTyID:
 525     return getPointerSizeInBits(0);
 526   case Type::PointerTyID:
 527     return getPointerSizeInBits(Ty->getPointerAddressSpace());
 528   case Type::ArrayTyID: {
 529     ArrayType *ATy = cast<ArrayType>(Ty);
 530     return ATy->getNumElements() *
 531            getTypeAllocSizeInBits(ATy->getElementType());
 532   }
 533   case Type::StructTyID:
 534     // Get the layout annotation... which is lazily created on demand.
 535     return getStructLayout(cast<StructType>(Ty))->getSizeInBits();
 536   case Type::IntegerTyID:
 537     return Ty->getIntegerBitWidth();
 538   case Type::HalfTyID:
 539     return 16;
 540   case Type::FloatTyID:
 541     return 32;
 542   case Type::DoubleTyID:
 543   case Type::X86_MMXTyID:
 544     return 64;
 545   case Type::PPC_FP128TyID:
 546   case Type::FP128TyID:
 547     return 128;
 548     // In memory objects this is always aligned to a higher boundary, but
 549   // only 80 bits contain information.
 550   case Type::X86_FP80TyID:
 551     return 80;
 552   case Type::VectorTyID: {
 553     VectorType *VTy = cast<VectorType>(Ty);
 554     return VTy->getNumElements() * getTypeSizeInBits(VTy->getElementType());
 555   }
 556   default:
 557     llvm_unreachable("DataLayout::getTypeSizeInBits(): Unsupported type");
 558   }
 559 }
 560
 561 } // End llvm namespace
 562
 563 #endif