RuntimeDyld should use the memory manager API.
[oota-llvm.git] / lib / ExecutionEngine / RuntimeDyld / RuntimeDyld.cpp
index 36c34632ee6f39a01ab98a8a0f26da2150519f7d..de54f082eb4bf72054aeb5168e20a7422580d7b4 100644 (file)
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
+#define DEBUG_TYPE "dyld"
 #include "llvm/ADT/OwningPtr.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
 #include "llvm/ADT/StringMap.h"
 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
+#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
 #include "llvm/ADT/Twine.h"
 #include "llvm/ExecutionEngine/RuntimeDyld.h"
 #include "llvm/Object/MachOObject.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
+#include "llvm/Support/Format.h"
 #include "llvm/Support/Memory.h"
 #include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
 #include "llvm/Support/system_error.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 using namespace llvm;
 using namespace llvm::object;
 
+// Empty out-of-line virtual destructor as the key function.
+RTDyldMemoryManager::~RTDyldMemoryManager() {}
+
 namespace llvm {
 class RuntimeDyldImpl {
+  unsigned CPUType;
+  unsigned CPUSubtype;
+
+  // The MemoryManager to load objects into.
+  RTDyldMemoryManager *MemMgr;
+
+
+  // For each function, we have a MemoryBlock of it's instruction data.
+  StringMap<sys::MemoryBlock> Functions;
+
   // Master symbol table. As modules are loaded and external symbols are
   // resolved, their addresses are stored here.
-  StringMap<void*> SymbolTable;
+  StringMap<uint64_t> SymbolTable;
 
   // FIXME: Should have multiple data blocks, one for each loaded chunk of
   //        compiled code.
@@ -43,6 +63,16 @@ class RuntimeDyldImpl {
     return true;
   }
 
+  void extractFunction(StringRef Name, uint8_t *StartAddress,
+                       uint8_t *EndAddress);
+  bool resolveRelocation(uint32_t BaseSection, macho::RelocationEntry RE,
+                         SmallVectorImpl<void *> &SectionBases,
+                         SmallVectorImpl<StringRef> &SymbolNames);
+  bool resolveX86_64Relocation(intptr_t Address, intptr_t Value, bool isPCRel,
+                               unsigned Type, unsigned Size);
+  bool resolveARMRelocation(intptr_t Address, intptr_t Value, bool isPCRel,
+                            unsigned Type, unsigned Size);
+
   bool loadSegment32(const MachOObject *Obj,
                      const MachOObject::LoadCommandInfo *SegmentLCI,
                      const InMemoryStruct<macho::SymtabLoadCommand> &SymtabLC);
@@ -51,14 +81,14 @@ class RuntimeDyldImpl {
                      const InMemoryStruct<macho::SymtabLoadCommand> &SymtabLC);
 
 public:
-  RuntimeDyldImpl() : HasError(false) {}
+  RuntimeDyldImpl(RTDyldMemoryManager *mm) : MemMgr(mm), HasError(false) {}
 
   bool loadObject(MemoryBuffer *InputBuffer);
 
-  void *getSymbolAddress(StringRef Name) {
-    // Use lookup() rather than [] because we don't want to add an entry
-    // if there isn't one already, which the [] operator does.
-    return SymbolTable.lookup(Name);
+  uint64_t getSymbolAddress(StringRef Name) {
+    // FIXME: Just look up as a function for now. Overly simple of course.
+    // Work in progress.
+    return (uint64_t)Functions.lookup(Name).base();
   }
 
   sys::MemoryBlock getMemoryBlock() { return Data; }
@@ -73,7 +103,167 @@ public:
   StringRef getErrorString() { return ErrorStr; }
 };
 
+void RuntimeDyldImpl::extractFunction(StringRef Name, uint8_t *StartAddress,
+                                       uint8_t *EndAddress) {
+  // Allocate memory for the function via the memory manager.
+  uintptr_t Size = EndAddress - StartAddress + 1;
+  uint8_t *Mem = MemMgr->startFunctionBody(Name.data(), Size);
+  assert(Size >= (uint64_t)(EndAddress - StartAddress + 1) &&
+         "Memory manager failed to allocate enough memory!");
+  // Copy the function payload into the memory block.
+  memcpy(Mem, StartAddress, EndAddress - StartAddress + 1);
+  MemMgr->endFunctionBody(Name.data(), Mem, Mem + Size);
+  // Remember where we put it.
+  Functions[Name] = sys::MemoryBlock(Mem, Size);
+  DEBUG(dbgs() << "    allocated to " << Mem << "\n");
+}
 
+bool RuntimeDyldImpl::
+resolveRelocation(uint32_t BaseSection, macho::RelocationEntry RE,
+                  SmallVectorImpl<void *> &SectionBases,
+                  SmallVectorImpl<StringRef> &SymbolNames) {
+  // struct relocation_info {
+  //   int32_t r_address;
+  //   uint32_t r_symbolnum:24,
+  //            r_pcrel:1,
+  //            r_length:2,
+  //            r_extern:1,
+  //            r_type:4;
+  // };
+  uint32_t SymbolNum = RE.Word1 & 0xffffff; // 24-bit value
+  bool isPCRel = (RE.Word1 >> 24) & 1;
+  unsigned Log2Size = (RE.Word1 >> 25) & 3;
+  bool isExtern = (RE.Word1 >> 27) & 1;
+  unsigned Type = (RE.Word1 >> 28) & 0xf;
+  if (RE.Word0 & macho::RF_Scattered)
+    return Error("NOT YET IMPLEMENTED: scattered relocations.");
+
+  // The address requiring a relocation.
+  intptr_t Address = (intptr_t)SectionBases[BaseSection] + RE.Word0;
+
+  // Figure out the target address of the relocation. If isExtern is true,
+  // this relocation references the symbol table, otherwise it references
+  // a section in the same object, numbered from 1 through NumSections
+  // (SectionBases is [0, NumSections-1]).
+  intptr_t Value;
+  if (isExtern) {
+    StringRef Name = SymbolNames[SymbolNum];
+    if (SymbolTable.lookup(Name)) {
+      // The symbol is in our symbol table, so we can resolve it directly.
+      Value = (intptr_t)SymbolTable[Name];
+    } else {
+      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: relocations to pre-compiled code.");
+    }
+    DEBUG(dbgs() << "Resolve relocation(" << Type << ") from '" << Name
+                 << "' to " << format("0x%x", Address) << ".\n");
+  } else {
+    // For non-external relocations, the SymbolNum is actual a section number
+    // as described above.
+    Value = (intptr_t)SectionBases[SymbolNum - 1];
+  }
+
+  unsigned Size = 1 << Log2Size;
+  switch (CPUType) {
+  default: assert(0 && "Unsupported CPU type!");
+  case mach::CTM_x86_64:
+    return resolveX86_64Relocation(Address, Value, isPCRel, Type, Size);
+  case mach::CTM_ARM:
+    return resolveARMRelocation(Address, Value, isPCRel, Type, Size);
+  }
+  llvm_unreachable("");
+}
+
+bool RuntimeDyldImpl::resolveX86_64Relocation(intptr_t Address, intptr_t Value,
+                                              bool isPCRel, unsigned Type,
+                                              unsigned Size) {
+  // If the relocation is PC-relative, the value to be encoded is the
+  // pointer difference.
+  if (isPCRel)
+    // FIXME: It seems this value needs to be adjusted by 4 for an effective PC
+    // address. Is that expected? Only for branches, perhaps?
+    Value -= Address + 4;
+
+  switch(Type) {
+  default:
+    llvm_unreachable("Invalid relocation type!");
+  case macho::RIT_X86_64_Unsigned:
+  case macho::RIT_X86_64_Branch: {
+    // Mask in the target value a byte at a time (we don't have an alignment
+    // guarantee for the target address, so this is safest).
+    uint8_t *p = (uint8_t*)Address;
+    for (unsigned i = 0; i < Size; ++i) {
+      *p++ = (uint8_t)Value;
+      Value >>= 8;
+    }
+    return false;
+  }
+  case macho::RIT_X86_64_Signed:
+  case macho::RIT_X86_64_GOTLoad:
+  case macho::RIT_X86_64_GOT:
+  case macho::RIT_X86_64_Subtractor:
+  case macho::RIT_X86_64_Signed1:
+  case macho::RIT_X86_64_Signed2:
+  case macho::RIT_X86_64_Signed4:
+  case macho::RIT_X86_64_TLV:
+    return Error("Relocation type not implemented yet!");
+  }
+  return false;
+}
+
+bool RuntimeDyldImpl::resolveARMRelocation(intptr_t Address, intptr_t Value,
+                                           bool isPCRel, unsigned Type,
+                                           unsigned Size) {
+  // If the relocation is PC-relative, the value to be encoded is the
+  // pointer difference.
+  if (isPCRel) {
+    Value -= Address;
+    // ARM PCRel relocations have an effective-PC offset of two instructions
+    // (four bytes in Thumb mode, 8 bytes in ARM mode).
+    // FIXME: For now, assume ARM mode.
+    Value -= 8;
+  }
+
+  switch(Type) {
+  default:
+  case macho::RIT_Vanilla: {
+    llvm_unreachable("Invalid relocation type!");
+    // Mask in the target value a byte at a time (we don't have an alignment
+    // guarantee for the target address, so this is safest).
+    uint8_t *p = (uint8_t*)Address;
+    for (unsigned i = 0; i < Size; ++i) {
+      *p++ = (uint8_t)Value;
+      Value >>= 8;
+    }
+    break;
+  }
+  case macho::RIT_Pair:
+  case macho::RIT_Difference:
+  case macho::RIT_ARM_LocalDifference:
+  case macho::RIT_ARM_PreboundLazyPointer:
+  case macho::RIT_ARM_Branch24Bit: {
+    // Mask the value into the target address. We know instructions are
+    // 32-bit aligned, so we can do it all at once.
+    uint32_t *p = (uint32_t*)Address;
+    // The low two bits of the value are not encoded.
+    Value >>= 2;
+    // Mask the value to 24 bits.
+    Value &= 0xffffff;
+    // FIXME: If the destination is a Thumb function (and the instruction
+    // is a non-predicated BL instruction), we need to change it to a BLX
+    // instruction instead.
+
+    // Insert the value into the instruction.
+    *p = (*p & ~0xffffff) | Value;
+    break;
+  }
+  case macho::RIT_ARM_ThumbBranch22Bit:
+  case macho::RIT_ARM_ThumbBranch32Bit:
+  case macho::RIT_ARM_Half:
+  case macho::RIT_ARM_HalfDifference:
+    return Error("Relocation type not implemented yet!");
+  }
+  return false;
+}
 
 bool RuntimeDyldImpl::
 loadSegment32(const MachOObject *Obj,
@@ -95,46 +285,59 @@ loadSegment32(const MachOObject *Obj,
   memset((char*)Data.base() + Segment32LC->FileSize, 0,
          Segment32LC->VMSize - Segment32LC->FileSize);
 
-  // Bind the section indices to address.
-  void **SectionBases = new void*[Segment32LC->NumSections];
+  // Bind the section indices to addresses and record the relocations we
+  // need to resolve.
+  typedef std::pair<uint32_t, macho::RelocationEntry> RelocationMap;
+  SmallVector<RelocationMap, 64> Relocations;
+
+  SmallVector<void *, 16> SectionBases;
   for (unsigned i = 0; i != Segment32LC->NumSections; ++i) {
     InMemoryStruct<macho::Section> Sect;
     Obj->ReadSection(*SegmentLCI, i, Sect);
-    if (!Sect)
+   if (!Sect)
       return Error("unable to load section: '" + Twine(i) + "'");
 
-    // FIXME: We don't support relocations yet.
-    if (Sect->NumRelocationTableEntries != 0)
-      return Error("not yet implemented: relocations!");
+    // Remember any relocations the section has so we can resolve them later.
+    for (unsigned j = 0; j != Sect->NumRelocationTableEntries; ++j) {
+      InMemoryStruct<macho::RelocationEntry> RE;
+      Obj->ReadRelocationEntry(Sect->RelocationTableOffset, j, RE);
+      Relocations.push_back(RelocationMap(j, *RE));
+    }
 
     // FIXME: Improve check.
-    if (Sect->Flags != 0x80000400)
-      return Error("unsupported section type!");
+//    if (Sect->Flags != 0x80000400)
+//      return Error("unsupported section type!");
 
-    SectionBases[i] = (char*) Data.base() + Sect->Address;
+    SectionBases.push_back((char*) Data.base() + Sect->Address);
   }
 
-  // Bind all the symbols to address.
+  // Bind all the symbols to address. Keep a record of the names for use
+  // by relocation resolution.
+  SmallVector<StringRef, 64> SymbolNames;
   for (unsigned i = 0; i != SymtabLC->NumSymbolTableEntries; ++i) {
     InMemoryStruct<macho::SymbolTableEntry> STE;
     Obj->ReadSymbolTableEntry(SymtabLC->SymbolTableOffset, i, STE);
     if (!STE)
       return Error("unable to read symbol: '" + Twine(i) + "'");
+    // Get the symbol name.
+    StringRef Name = Obj->getStringAtIndex(STE->StringIndex);
+    SymbolNames.push_back(Name);
+
+    // Just skip undefined symbols. They'll be loaded from whatever
+    // module they come from (or system dylib) when we resolve relocations
+    // involving them.
     if (STE->SectionIndex == 0)
-      return Error("unexpected undefined symbol!");
+      continue;
 
     unsigned Index = STE->SectionIndex - 1;
     if (Index >= Segment32LC->NumSections)
       return Error("invalid section index for symbol: '" + Twine() + "'");
 
-    // Get the symbol name.
-    StringRef Name = Obj->getStringAtIndex(STE->StringIndex);
-
     // Get the section base address.
     void *SectionBase = SectionBases[Index];
 
     // Get the symbol address.
-    void *Address = (char*) SectionBase + STE->Value;
+    uint64_t Address = (uint64_t)SectionBase + STE->Value;
 
     // FIXME: Check the symbol type and flags.
     if (STE->Type != 0xF)
@@ -142,14 +345,22 @@ loadSegment32(const MachOObject *Obj,
     if (STE->Flags != 0x0)
       return Error("unexpected symbol type!");
 
+    DEBUG(dbgs() << "Symbol: '" << Name << "' @ " << Address << "\n");
+
     SymbolTable[Name] = Address;
   }
 
+  // Now resolve any relocations.
+  for (unsigned i = 0, e = Relocations.size(); i != e; ++i) {
+    if (resolveRelocation(Relocations[i].first, Relocations[i].second,
+                          SectionBases, SymbolNames))
+      return true;
+  }
+
   // We've loaded the section; now mark the functions in it as executable.
-  // FIXME: We really should use the JITMemoryManager for this.
+  // FIXME: We really should use the MemoryManager for this.
   sys::Memory::setRangeExecutable(Data.base(), Data.size());
 
-  delete SectionBases;
   return false;
 }
 
@@ -163,72 +374,72 @@ loadSegment64(const MachOObject *Obj,
   if (!Segment64LC)
     return Error("unable to load segment load command");
 
-  // Map the segment into memory.
-  std::string ErrorStr;
-  Data = sys::Memory::AllocateRWX(Segment64LC->VMSize, 0, &ErrorStr);
-  if (!Data.base())
-    return Error("unable to allocate memory block: '" + ErrorStr + "'");
-  memcpy(Data.base(), Obj->getData(Segment64LC->FileOffset,
-                                   Segment64LC->FileSize).data(),
-         Segment64LC->FileSize);
-  memset((char*)Data.base() + Segment64LC->FileSize, 0,
-         Segment64LC->VMSize - Segment64LC->FileSize);
-
-  // Bind the section indices to address.
-  void **SectionBases = new void*[Segment64LC->NumSections];
-  for (unsigned i = 0; i != Segment64LC->NumSections; ++i) {
+  for (unsigned SectNum = 0; SectNum != Segment64LC->NumSections; ++SectNum) {
     InMemoryStruct<macho::Section64> Sect;
-    Obj->ReadSection64(*SegmentLCI, i, Sect);
+    Obj->ReadSection64(*SegmentLCI, SectNum, Sect);
     if (!Sect)
-      return Error("unable to load section: '" + Twine(i) + "'");
-
-    // FIXME: We don't support relocations yet.
-    if (Sect->NumRelocationTableEntries != 0)
-      return Error("not yet implemented: relocations!");
+      return Error("unable to load section: '" + Twine(SectNum) + "'");
 
     // FIXME: Improve check.
     if (Sect->Flags != 0x80000400)
       return Error("unsupported section type!");
 
-    SectionBases[i] = (char*) Data.base() + Sect->Address;
-  }
-
-  // Bind all the symbols to address.
-  for (unsigned i = 0; i != SymtabLC->NumSymbolTableEntries; ++i) {
-    InMemoryStruct<macho::Symbol64TableEntry> STE;
-    Obj->ReadSymbol64TableEntry(SymtabLC->SymbolTableOffset, i, STE);
-    if (!STE)
-      return Error("unable to read symbol: '" + Twine(i) + "'");
-    if (STE->SectionIndex == 0)
-      return Error("unexpected undefined symbol!");
-
-    unsigned Index = STE->SectionIndex - 1;
-    if (Index >= Segment64LC->NumSections)
-      return Error("invalid section index for symbol: '" + Twine() + "'");
-
-    // Get the symbol name.
-    StringRef Name = Obj->getStringAtIndex(STE->StringIndex);
-
-    // Get the section base address.
-    void *SectionBase = SectionBases[Index];
-
-    // Get the symbol address.
-    void *Address = (char*) SectionBase + STE->Value;
-
-    // FIXME: Check the symbol type and flags.
-    if (STE->Type != 0xF)
-      return Error("unexpected symbol type!");
-    if (STE->Flags != 0x0)
-      return Error("unexpected symbol type!");
-
-    SymbolTable[Name] = Address;
+    // Address and names of symbols in the section.
+    typedef std::pair<uint64_t, StringRef> SymbolEntry;
+    SmallVector<SymbolEntry, 64> Symbols;
+    for (unsigned i = 0; i != SymtabLC->NumSymbolTableEntries; ++i) {
+      InMemoryStruct<macho::Symbol64TableEntry> STE;
+      Obj->ReadSymbol64TableEntry(SymtabLC->SymbolTableOffset, i, STE);
+      if (!STE)
+        return Error("unable to read symbol: '" + Twine(i) + "'");
+      if (STE->SectionIndex > Segment64LC->NumSections)
+        return Error("invalid section index for symbol: '" + Twine() + "'");
+
+      // Just skip symbols not defined in this section.
+      if (STE->SectionIndex - 1 != SectNum)
+        continue;
+
+      // Get the symbol name.
+      StringRef Name = Obj->getStringAtIndex(STE->StringIndex);
+
+      // FIXME: Check the symbol type and flags.
+      if (STE->Type != 0xF)  // external, defined in this section.
+        return Error("unexpected symbol type!");
+      if (STE->Flags != 0x0)
+        return Error("unexpected symbol type!");
+
+      uint64_t BaseAddress = Sect->Address;
+      uint64_t Address = BaseAddress + STE->Value;
+
+      // Remember the symbol.
+      Symbols.push_back(SymbolEntry(Address, Name));
+
+      DEBUG(dbgs() << "Function sym: '" << Name << "' @ " << Address << "\n");
+    }
+    // Sort the symbols by address, just in case they didn't come in that
+    // way.
+    array_pod_sort(Symbols.begin(), Symbols.end());
+
+    // Extract the function data.
+    uint8_t *Base = (uint8_t*)Obj->getData(Segment64LC->FileOffset,
+                                           Segment64LC->FileSize).data();
+    for (unsigned i = 0, e = Symbols.size() - 1; i != e; ++i) {
+      uint64_t StartOffset = Symbols[i].first;
+      uint64_t EndOffset = Symbols[i + 1].first - 1;
+      DEBUG(dbgs() << "Extracting function: " << Symbols[i].second
+                   << " from [" << StartOffset << ", " << EndOffset << "]\n");
+      extractFunction(Symbols[i].second, Base + StartOffset, Base + EndOffset);
+    }
+    // The last symbol we do after since the end address is calculated
+    // differently because there is no next symbol to reference.
+    uint64_t StartOffset = Symbols[Symbols.size() - 1].first;
+    uint64_t EndOffset = Sect->Size - 1;
+    DEBUG(dbgs() << "Extracting function: " << Symbols[Symbols.size()-1].second
+                 << " from [" << StartOffset << ", " << EndOffset << "]\n");
+    extractFunction(Symbols[Symbols.size()-1].second,
+                    Base + StartOffset, Base + EndOffset);
   }
 
-  // We've loaded the section; now mark the functions in it as executable.
-  // FIXME: We really should use the JITMemoryManager for this.
-  sys::Memory::setRangeExecutable(Data.base(), Data.size());
-
-  delete SectionBases;
   return false;
 }
 
@@ -243,10 +454,18 @@ bool RuntimeDyldImpl::loadObject(MemoryBuffer *InputBuffer) {
   if (!Obj)
     return Error("unable to load object: '" + ErrorStr + "'");
 
+  // Get the CPU type information from the header.
+  const macho::Header &Header = Obj->getHeader();
+
+  // FIXME: Error checking that the loaded object is compatible with
+  //        the system we're running on.
+  CPUType = Header.CPUType;
+  CPUSubtype = Header.CPUSubtype;
+
   // Validate that the load commands match what we expect.
   const MachOObject::LoadCommandInfo *SegmentLCI = 0, *SymtabLCI = 0,
     *DysymtabLCI = 0;
-  for (unsigned i = 0; i != Obj->getHeader().NumLoadCommands; ++i) {
+  for (unsigned i = 0; i != Header.NumLoadCommands; ++i) {
     const MachOObject::LoadCommandInfo &LCI = Obj->getLoadCommandInfo(i);
     switch (LCI.Command.Type) {
     case macho::LCT_Segment:
@@ -291,12 +510,12 @@ bool RuntimeDyldImpl::loadObject(MemoryBuffer *InputBuffer) {
       return Error("unable to load dynamic link-exit load command");
 
     // FIXME: We don't support anything interesting yet.
-    if (DysymtabLC->LocalSymbolsIndex != 0)
-      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: local symbol entries");
-    if (DysymtabLC->ExternalSymbolsIndex != 0)
-      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: non-external symbol entries");
-    if (DysymtabLC->UndefinedSymbolsIndex != SymtabLC->NumSymbolTableEntries)
-      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: undefined symbol entries");
+//    if (DysymtabLC->LocalSymbolsIndex != 0)
+//      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: local symbol entries");
+//    if (DysymtabLC->ExternalSymbolsIndex != 0)
+//      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: non-external symbol entries");
+//    if (DysymtabLC->UndefinedSymbolsIndex != SymtabLC->NumSymbolTableEntries)
+//      return Error("NOT YET IMPLEMENTED: undefined symbol entries");
   }
 
   // Load the segment load command.
@@ -314,8 +533,8 @@ bool RuntimeDyldImpl::loadObject(MemoryBuffer *InputBuffer) {
 
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 // RuntimeDyld class implementation
-RuntimeDyld::RuntimeDyld() {
-  Dyld = new RuntimeDyldImpl;
+RuntimeDyld::RuntimeDyld(RTDyldMemoryManager *MM) {
+  Dyld = new RuntimeDyldImpl(MM);
 }
 
 RuntimeDyld::~RuntimeDyld() {
@@ -326,7 +545,7 @@ bool RuntimeDyld::loadObject(MemoryBuffer *InputBuffer) {
   return Dyld->loadObject(InputBuffer);
 }
 
-void *RuntimeDyld::getSymbolAddress(StringRef Name) {
+uint64_t RuntimeDyld::getSymbolAddress(StringRef Name) {
   return Dyld->getSymbolAddress(Name);
 }