AMDGPU/GlobalISel: Implement select for G_EXTRACT
[llvm-core.git] / docs / ProgrammersManual.rst
blobadb23bd5ac28a3b82b732d28853b9dad56ad2482
1 ========================
2 LLVM Programmer's Manual
3 ========================
5 .. contents::
6    :local:
8 .. warning::
9    This is always a work in progress.
11 .. _introduction:
13 Introduction
14 ============
16 This document is meant to highlight some of the important classes and interfaces
17 available in the LLVM source-base.  This manual is not intended to explain what
18 LLVM is, how it works, and what LLVM code looks like.  It assumes that you know
19 the basics of LLVM and are interested in writing transformations or otherwise
20 analyzing or manipulating the code.
22 This document should get you oriented so that you can find your way in the
23 continuously growing source code that makes up the LLVM infrastructure.  Note
24 that this manual is not intended to serve as a replacement for reading the
25 source code, so if you think there should be a method in one of these classes to
26 do something, but it's not listed, check the source.  Links to the `doxygen
27 <http://llvm.org/doxygen/>`__ sources are provided to make this as easy as
28 possible.
30 The first section of this document describes general information that is useful
31 to know when working in the LLVM infrastructure, and the second describes the
32 Core LLVM classes.  In the future this manual will be extended with information
33 describing how to use extension libraries, such as dominator information, CFG
34 traversal routines, and useful utilities like the ``InstVisitor`` (`doxygen
35 <http://llvm.org/doxygen/InstVisitor_8h_source.html>`__) template.
37 .. _general:
39 General Information
40 ===================
42 This section contains general information that is useful if you are working in
43 the LLVM source-base, but that isn't specific to any particular API.
45 .. _stl:
47 The C++ Standard Template Library
48 ---------------------------------
50 LLVM makes heavy use of the C++ Standard Template Library (STL), perhaps much
51 more than you are used to, or have seen before.  Because of this, you might want
52 to do a little background reading in the techniques used and capabilities of the
53 library.  There are many good pages that discuss the STL, and several books on
54 the subject that you can get, so it will not be discussed in this document.
56 Here are some useful links:
58 #. `cppreference.com
59    <http://en.cppreference.com/w/>`_ - an excellent
60    reference for the STL and other parts of the standard C++ library.
62 #. `C++ In a Nutshell <http://www.tempest-sw.com/cpp/>`_ - This is an O'Reilly
63    book in the making.  It has a decent Standard Library Reference that rivals
64    Dinkumware's, and is unfortunately no longer free since the book has been
65    published.
67 #. `C++ Frequently Asked Questions <http://www.parashift.com/c++-faq-lite/>`_.
69 #. `SGI's STL Programmer's Guide <http://www.sgi.com/tech/stl/>`_ - Contains a
70    useful `Introduction to the STL
71    <http://www.sgi.com/tech/stl/stl_introduction.html>`_.
73 #. `Bjarne Stroustrup's C++ Page
74    <http://www.research.att.com/%7Ebs/C++.html>`_.
76 #. `Bruce Eckel's Thinking in C++, 2nd ed. Volume 2 Revision 4.0
77    (even better, get the book)
78    <http://www.mindview.net/Books/TICPP/ThinkingInCPP2e.html>`_.
80 You are also encouraged to take a look at the :doc:`LLVM Coding Standards
81 <CodingStandards>` guide which focuses on how to write maintainable code more
82 than where to put your curly braces.
84 .. _resources:
86 Other useful references
87 -----------------------
89 #. `Using static and shared libraries across platforms
90    <http://www.fortran-2000.com/ArnaudRecipes/sharedlib.html>`_
92 .. _apis:
94 Important and useful LLVM APIs
95 ==============================
97 Here we highlight some LLVM APIs that are generally useful and good to know
98 about when writing transformations.
100 .. _isa:
102 The ``isa<>``, ``cast<>`` and ``dyn_cast<>`` templates
103 ------------------------------------------------------
105 The LLVM source-base makes extensive use of a custom form of RTTI.  These
106 templates have many similarities to the C++ ``dynamic_cast<>`` operator, but
107 they don't have some drawbacks (primarily stemming from the fact that
108 ``dynamic_cast<>`` only works on classes that have a v-table).  Because they are
109 used so often, you must know what they do and how they work.  All of these
110 templates are defined in the ``llvm/Support/Casting.h`` (`doxygen
111 <http://llvm.org/doxygen/Casting_8h_source.html>`__) file (note that you very
112 rarely have to include this file directly).
114 ``isa<>``:
115   The ``isa<>`` operator works exactly like the Java "``instanceof``" operator.
116   It returns true or false depending on whether a reference or pointer points to
117   an instance of the specified class.  This can be very useful for constraint
118   checking of various sorts (example below).
120 ``cast<>``:
121   The ``cast<>`` operator is a "checked cast" operation.  It converts a pointer
122   or reference from a base class to a derived class, causing an assertion
123   failure if it is not really an instance of the right type.  This should be
124   used in cases where you have some information that makes you believe that
125   something is of the right type.  An example of the ``isa<>`` and ``cast<>``
126   template is:
128   .. code-block:: c++
130     static bool isLoopInvariant(const Value *V, const Loop *L) {
131       if (isa<Constant>(V) || isa<Argument>(V) || isa<GlobalValue>(V))
132         return true;
134       // Otherwise, it must be an instruction...
135       return !L->contains(cast<Instruction>(V)->getParent());
136     }
138   Note that you should **not** use an ``isa<>`` test followed by a ``cast<>``,
139   for that use the ``dyn_cast<>`` operator.
141 ``dyn_cast<>``:
142   The ``dyn_cast<>`` operator is a "checking cast" operation.  It checks to see
143   if the operand is of the specified type, and if so, returns a pointer to it
144   (this operator does not work with references).  If the operand is not of the
145   correct type, a null pointer is returned.  Thus, this works very much like
146   the ``dynamic_cast<>`` operator in C++, and should be used in the same
147   circumstances.  Typically, the ``dyn_cast<>`` operator is used in an ``if``
148   statement or some other flow control statement like this:
150   .. code-block:: c++
152     if (auto *AI = dyn_cast<AllocationInst>(Val)) {
153       // ...
154     }
156   This form of the ``if`` statement effectively combines together a call to
157   ``isa<>`` and a call to ``cast<>`` into one statement, which is very
158   convenient.
160   Note that the ``dyn_cast<>`` operator, like C++'s ``dynamic_cast<>`` or Java's
161   ``instanceof`` operator, can be abused.  In particular, you should not use big
162   chained ``if/then/else`` blocks to check for lots of different variants of
163   classes.  If you find yourself wanting to do this, it is much cleaner and more
164   efficient to use the ``InstVisitor`` class to dispatch over the instruction
165   type directly.
167 ``cast_or_null<>``:
168   The ``cast_or_null<>`` operator works just like the ``cast<>`` operator,
169   except that it allows for a null pointer as an argument (which it then
170   propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine several
171   null checks into one.
173 ``dyn_cast_or_null<>``:
174   The ``dyn_cast_or_null<>`` operator works just like the ``dyn_cast<>``
175   operator, except that it allows for a null pointer as an argument (which it
176   then propagates).  This can sometimes be useful, allowing you to combine
177   several null checks into one.
179 These five templates can be used with any classes, whether they have a v-table
180 or not.  If you want to add support for these templates, see the document
181 :doc:`How to set up LLVM-style RTTI for your class hierarchy
182 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>`
184 .. _string_apis:
186 Passing strings (the ``StringRef`` and ``Twine`` classes)
187 ---------------------------------------------------------
189 Although LLVM generally does not do much string manipulation, we do have several
190 important APIs which take strings.  Two important examples are the Value class
191 -- which has names for instructions, functions, etc. -- and the ``StringMap``
192 class which is used extensively in LLVM and Clang.
194 These are generic classes, and they need to be able to accept strings which may
195 have embedded null characters.  Therefore, they cannot simply take a ``const
196 char *``, and taking a ``const std::string&`` requires clients to perform a heap
197 allocation which is usually unnecessary.  Instead, many LLVM APIs use a
198 ``StringRef`` or a ``const Twine&`` for passing strings efficiently.
200 .. _StringRef:
202 The ``StringRef`` class
203 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
205 The ``StringRef`` data type represents a reference to a constant string (a
206 character array and a length) and supports the common operations available on
207 ``std::string``, but does not require heap allocation.
209 It can be implicitly constructed using a C style null-terminated string, an
210 ``std::string``, or explicitly with a character pointer and length.  For
211 example, the ``StringRef`` find function is declared as:
213 .. code-block:: c++
215   iterator find(StringRef Key);
217 and clients can call it using any one of:
219 .. code-block:: c++
221   Map.find("foo");                 // Lookup "foo"
222   Map.find(std::string("bar"));    // Lookup "bar"
223   Map.find(StringRef("\0baz", 4)); // Lookup "\0baz"
225 Similarly, APIs which need to return a string may return a ``StringRef``
226 instance, which can be used directly or converted to an ``std::string`` using
227 the ``str`` member function.  See ``llvm/ADT/StringRef.h`` (`doxygen
228 <http://llvm.org/doxygen/StringRef_8h_source.html>`__) for more
229 information.
231 You should rarely use the ``StringRef`` class directly, because it contains
232 pointers to external memory it is not generally safe to store an instance of the
233 class (unless you know that the external storage will not be freed).
234 ``StringRef`` is small and pervasive enough in LLVM that it should always be
235 passed by value.
237 The ``Twine`` class
238 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
240 The ``Twine`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Twine.html>`__)
241 class is an efficient way for APIs to accept concatenated strings.  For example,
242 a common LLVM paradigm is to name one instruction based on the name of another
243 instruction with a suffix, for example:
245 .. code-block:: c++
247     New = CmpInst::Create(..., SO->getName() + ".cmp");
249 The ``Twine`` class is effectively a lightweight `rope
250 <http://en.wikipedia.org/wiki/Rope_(computer_science)>`_ which points to
251 temporary (stack allocated) objects.  Twines can be implicitly constructed as
252 the result of the plus operator applied to strings (i.e., a C strings, an
253 ``std::string``, or a ``StringRef``).  The twine delays the actual concatenation
254 of strings until it is actually required, at which point it can be efficiently
255 rendered directly into a character array.  This avoids unnecessary heap
256 allocation involved in constructing the temporary results of string
257 concatenation.  See ``llvm/ADT/Twine.h`` (`doxygen
258 <http://llvm.org/doxygen/Twine_8h_source.html>`__) and :ref:`here <dss_twine>`
259 for more information.
261 As with a ``StringRef``, ``Twine`` objects point to external memory and should
262 almost never be stored or mentioned directly.  They are intended solely for use
263 when defining a function which should be able to efficiently accept concatenated
264 strings.
266 .. _formatting_strings:
268 Formatting strings (the ``formatv`` function)
269 ---------------------------------------------
270 While LLVM doesn't necessarily do a lot of string manipulation and parsing, it
271 does do a lot of string formatting.  From diagnostic messages, to llvm tool
272 outputs such as ``llvm-readobj`` to printing verbose disassembly listings and
273 LLDB runtime logging, the need for string formatting is pervasive.
275 The ``formatv`` is similar in spirit to ``printf``, but uses a different syntax
276 which borrows heavily from Python and C#.  Unlike ``printf`` it deduces the type
277 to be formatted at compile time, so it does not need a format specifier such as
278 ``%d``.  This reduces the mental overhead of trying to construct portable format
279 strings, especially for platform-specific types like ``size_t`` or pointer types.
280 Unlike both ``printf`` and Python, it additionally fails to compile if LLVM does
281 not know how to format the type.  These two properties ensure that the function
282 is both safer and simpler to use than traditional formatting methods such as 
283 the ``printf`` family of functions.
285 Simple formatting
286 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
288 A call to ``formatv`` involves a single **format string** consisting of 0 or more
289 **replacement sequences**, followed by a variable length list of **replacement values**.
290 A replacement sequence is a string of the form ``{N[[,align]:style]}``.
292 ``N`` refers to the 0-based index of the argument from the list of replacement
293 values.  Note that this means it is possible to reference the same parameter
294 multiple times, possibly with different style and/or alignment options, in any order.
296 ``align`` is an optional string specifying the width of the field to format
297 the value into, and the alignment of the value within the field.  It is specified as
298 an optional **alignment style** followed by a positive integral **field width**.  The
299 alignment style can be one of the characters ``-`` (left align), ``=`` (center align),
300 or ``+`` (right align).  The default is right aligned.  
302 ``style`` is an optional string consisting of a type specific that controls the
303 formatting of the value.  For example, to format a floating point value as a percentage,
304 you can use the style option ``P``.
306 Custom formatting
307 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
309 There are two ways to customize the formatting behavior for a type.
311 1. Provide a template specialization of ``llvm::format_provider<T>`` for your
312    type ``T`` with the appropriate static format method.
314   .. code-block:: c++
315   
316     namespace llvm {
317       template<>
318       struct format_provider<MyFooBar> {
319         static void format(const MyFooBar &V, raw_ostream &Stream, StringRef Style) {
320           // Do whatever is necessary to format `V` into `Stream`
321         }
322       };
323       void foo() {
324         MyFooBar X;
325         std::string S = formatv("{0}", X);
326       }
327     }
328     
329   This is a useful extensibility mechanism for adding support for formatting your own
330   custom types with your own custom Style options.  But it does not help when you want
331   to extend the mechanism for formatting a type that the library already knows how to
332   format.  For that, we need something else.
333     
334 2. Provide a **format adapter** inheriting from ``llvm::FormatAdapter<T>``.
336   .. code-block:: c++
337   
338     namespace anything {
339       struct format_int_custom : public llvm::FormatAdapter<int> {
340         explicit format_int_custom(int N) : llvm::FormatAdapter<int>(N) {}
341         void format(llvm::raw_ostream &Stream, StringRef Style) override {
342           // Do whatever is necessary to format ``this->Item`` into ``Stream``
343         }
344       };
345     }
346     namespace llvm {
347       void foo() {
348         std::string S = formatv("{0}", anything::format_int_custom(42));
349       }
350     }
351     
352   If the type is detected to be derived from ``FormatAdapter<T>``, ``formatv``
353   will call the
354   ``format`` method on the argument passing in the specified style.  This allows
355   one to provide custom formatting of any type, including one which already has
356   a builtin format provider.
358 ``formatv`` Examples
359 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
360 Below is intended to provide an incomplete set of examples demonstrating
361 the usage of ``formatv``.  More information can be found by reading the
362 doxygen documentation or by looking at the unit test suite.
365 .. code-block:: c++
366   
367   std::string S;
368   // Simple formatting of basic types and implicit string conversion.
369   S = formatv("{0} ({1:P})", 7, 0.35);  // S == "7 (35.00%)"
370   
371   // Out-of-order referencing and multi-referencing
372   outs() << formatv("{0} {2} {1} {0}", 1, "test", 3); // prints "1 3 test 1"
373   
374   // Left, right, and center alignment
375   S = formatv("{0,7}",  'a');  // S == "      a";
376   S = formatv("{0,-7}", 'a');  // S == "a      ";
377   S = formatv("{0,=7}", 'a');  // S == "   a   ";
378   S = formatv("{0,+7}", 'a');  // S == "      a";
379   
380   // Custom styles
381   S = formatv("{0:N} - {0:x} - {1:E}", 12345, 123908342); // S == "12,345 - 0x3039 - 1.24E8"
382   
383   // Adapters
384   S = formatv("{0}", fmt_align(42, AlignStyle::Center, 7));  // S == "  42   "
385   S = formatv("{0}", fmt_repeat("hi", 3)); // S == "hihihi"
386   S = formatv("{0}", fmt_pad("hi", 2, 6)); // S == "  hi      "
387   
388   // Ranges
389   std::vector<int> V = {8, 9, 10};
390   S = formatv("{0}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "8, 9, 10"
391   S = formatv("{0:$[+]}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "8+9+10"
392   S = formatv("{0:$[ + ]@[x]}", make_range(V.begin(), V.end())); // S == "0x8 + 0x9 + 0xA"
394 .. _error_apis:
396 Error handling
397 --------------
399 Proper error handling helps us identify bugs in our code, and helps end-users
400 understand errors in their tool usage. Errors fall into two broad categories:
401 *programmatic* and *recoverable*, with different strategies for handling and
402 reporting.
404 Programmatic Errors
405 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
407 Programmatic errors are violations of program invariants or API contracts, and
408 represent bugs within the program itself. Our aim is to document invariants, and
409 to abort quickly at the point of failure (providing some basic diagnostic) when
410 invariants are broken at runtime.
412 The fundamental tools for handling programmatic errors are assertions and the
413 llvm_unreachable function. Assertions are used to express invariant conditions,
414 and should include a message describing the invariant:
416 .. code-block:: c++
418   assert(isPhysReg(R) && "All virt regs should have been allocated already.");
420 The llvm_unreachable function can be used to document areas of control flow
421 that should never be entered if the program invariants hold:
423 .. code-block:: c++
425   enum { Foo, Bar, Baz } X = foo();
427   switch (X) {
428     case Foo: /* Handle Foo */; break;
429     case Bar: /* Handle Bar */; break;
430     default:
431       llvm_unreachable("X should be Foo or Bar here");
432   }
434 Recoverable Errors
435 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
437 Recoverable errors represent an error in the program's environment, for example
438 a resource failure (a missing file, a dropped network connection, etc.), or
439 malformed input. These errors should be detected and communicated to a level of
440 the program where they can be handled appropriately. Handling the error may be
441 as simple as reporting the issue to the user, or it may involve attempts at
442 recovery.
444 .. note::
446    While it would be ideal to use this error handling scheme throughout
447    LLVM, there are places where this hasn't been practical to apply. In
448    situations where you absolutely must emit a non-programmatic error and
449    the ``Error`` model isn't workable you can call ``report_fatal_error``,
450    which will call installed error handlers, print a message, and exit the
451    program.
453 Recoverable errors are modeled using LLVM's ``Error`` scheme. This scheme
454 represents errors using function return values, similar to classic C integer
455 error codes, or C++'s ``std::error_code``. However, the ``Error`` class is
456 actually a lightweight wrapper for user-defined error types, allowing arbitrary
457 information to be attached to describe the error. This is similar to the way C++
458 exceptions allow throwing of user-defined types.
460 Success values are created by calling ``Error::success()``, E.g.:
462 .. code-block:: c++
464   Error foo() {
465     // Do something.
466     // Return success.
467     return Error::success();
468   }
470 Success values are very cheap to construct and return - they have minimal
471 impact on program performance.
473 Failure values are constructed using ``make_error<T>``, where ``T`` is any class
474 that inherits from the ErrorInfo utility, E.g.:
476 .. code-block:: c++
478   class BadFileFormat : public ErrorInfo<BadFileFormat> {
479   public:
480     static char ID;
481     std::string Path;
483     BadFileFormat(StringRef Path) : Path(Path.str()) {}
485     void log(raw_ostream &OS) const override {
486       OS << Path << " is malformed";
487     }
489     std::error_code convertToErrorCode() const override {
490       return make_error_code(object_error::parse_failed);
491     }
492   };
494   char BadFileFormat::ID; // This should be declared in the C++ file.
496   Error printFormattedFile(StringRef Path) {
497     if (<check for valid format>)
498       return make_error<BadFileFormat>(Path);
499     // print file contents.
500     return Error::success();
501   }
503 Error values can be implicitly converted to bool: true for error, false for
504 success, enabling the following idiom:
506 .. code-block:: c++
508   Error mayFail();
510   Error foo() {
511     if (auto Err = mayFail())
512       return Err;
513     // Success! We can proceed.
514     ...
516 For functions that can fail but need to return a value the ``Expected<T>``
517 utility can be used. Values of this type can be constructed with either a
518 ``T``, or an ``Error``. Expected<T> values are also implicitly convertible to
519 boolean, but with the opposite convention to ``Error``: true for success, false
520 for error. If success, the ``T`` value can be accessed via the dereference
521 operator. If failure, the ``Error`` value can be extracted using the
522 ``takeError()`` method. Idiomatic usage looks like:
524 .. code-block:: c++
526   Expected<FormattedFile> openFormattedFile(StringRef Path) {
527     // If badly formatted, return an error.
528     if (auto Err = checkFormat(Path))
529       return std::move(Err);
530     // Otherwise return a FormattedFile instance.
531     return FormattedFile(Path);
532   }
534   Error processFormattedFile(StringRef Path) {
535     // Try to open a formatted file
536     if (auto FileOrErr = openFormattedFile(Path)) {
537       // On success, grab a reference to the file and continue.
538       auto &File = *FileOrErr;
539       ...
540     } else
541       // On error, extract the Error value and return it.
542       return FileOrErr.takeError();
543   }
545 If an ``Expected<T>`` value is in success mode then the ``takeError()`` method
546 will return a success value. Using this fact, the above function can be
547 rewritten as:
549 .. code-block:: c++
551   Error processFormattedFile(StringRef Path) {
552     // Try to open a formatted file
553     auto FileOrErr = openFormattedFile(Path);
554     if (auto Err = FileOrErr.takeError())
555       // On error, extract the Error value and return it.
556       return Err;
557     // On success, grab a reference to the file and continue.
558     auto &File = *FileOrErr;
559     ...
560   }
562 This second form is often more readable for functions that involve multiple
563 ``Expected<T>`` values as it limits the indentation required.
565 All ``Error`` instances, whether success or failure, must be either checked or
566 moved from (via ``std::move`` or a return) before they are destructed.
567 Accidentally discarding an unchecked error will cause a program abort at the
568 point where the unchecked value's destructor is run, making it easy to identify
569 and fix violations of this rule.
571 Success values are considered checked once they have been tested (by invoking
572 the boolean conversion operator):
574 .. code-block:: c++
576   if (auto Err = mayFail(...))
577     return Err; // Failure value - move error to caller.
579   // Safe to continue: Err was checked.
581 In contrast, the following code will always cause an abort, even if ``mayFail``
582 returns a success value:
584 .. code-block:: c++
586     mayFail();
587     // Program will always abort here, even if mayFail() returns Success, since
588     // the value is not checked.
590 Failure values are considered checked once a handler for the error type has
591 been activated:
593 .. code-block:: c++
595   handleErrors(
596     processFormattedFile(...),
597     [](const BadFileFormat &BFF) {
598       report("Unable to process " + BFF.Path + ": bad format");
599     },
600     [](const FileNotFound &FNF) {
601       report("File not found " + FNF.Path);
602     });
604 The ``handleErrors`` function takes an error as its first argument, followed by
605 a variadic list of "handlers", each of which must be a callable type (a
606 function, lambda, or class with a call operator) with one argument. The
607 ``handleErrors`` function will visit each handler in the sequence and check its
608 argument type against the dynamic type of the error, running the first handler
609 that matches. This is the same decision process that is used decide which catch
610 clause to run for a C++ exception.
612 Since the list of handlers passed to ``handleErrors`` may not cover every error
613 type that can occur, the ``handleErrors`` function also returns an Error value
614 that must be checked or propagated. If the error value that is passed to
615 ``handleErrors`` does not match any of the handlers it will be returned from
616 handleErrors. Idiomatic use of ``handleErrors`` thus looks like:
618 .. code-block:: c++
620   if (auto Err =
621         handleErrors(
622           processFormattedFile(...),
623           [](const BadFileFormat &BFF) {
624             report("Unable to process " + BFF.Path + ": bad format");
625           },
626           [](const FileNotFound &FNF) {
627             report("File not found " + FNF.Path);
628           }))
629     return Err;
631 In cases where you truly know that the handler list is exhaustive the
632 ``handleAllErrors`` function can be used instead. This is identical to
633 ``handleErrors`` except that it will terminate the program if an unhandled
634 error is passed in, and can therefore return void. The ``handleAllErrors``
635 function should generally be avoided: the introduction of a new error type
636 elsewhere in the program can easily turn a formerly exhaustive list of errors
637 into a non-exhaustive list, risking unexpected program termination. Where
638 possible, use handleErrors and propagate unknown errors up the stack instead.
640 For tool code, where errors can be handled by printing an error message then
641 exiting with an error code, the :ref:`ExitOnError <err_exitonerr>` utility
642 may be a better choice than handleErrors, as it simplifies control flow when
643 calling fallible functions.
645 In situations where it is known that a particular call to a fallible function
646 will always succeed (for example, a call to a function that can only fail on a
647 subset of inputs with an input that is known to be safe) the
648 :ref:`cantFail <err_cantfail>` functions can be used to remove the error type,
649 simplifying control flow.
651 StringError
652 """""""""""
654 Many kinds of errors have no recovery strategy, the only action that can be
655 taken is to report them to the user so that the user can attempt to fix the
656 environment. In this case representing the error as a string makes perfect
657 sense. LLVM provides the ``StringError`` class for this purpose. It takes two
658 arguments: A string error message, and an equivalent ``std::error_code`` for
659 interoperability. It also provides a ``createStringError`` function to simplify
660 common usage of this class:
662 .. code-block:: c++
664   // These two lines of code are equivalent:
665   make_error<StringError>("Bad executable", errc::executable_format_error);
666   createStringError(errc::executable_format_error, "Bad executable");
668 If you're certain that the error you're building will never need to be converted
669 to a ``std::error_code`` you can use the ``inconvertibleErrorCode()`` function:
671 .. code-block:: c++
673   createStringError(inconvertibleErrorCode(), "Bad executable");
675 This should be done only after careful consideration. If any attempt is made to
676 convert this error to a ``std::error_code`` it will trigger immediate program
677 termination. Unless you are certain that your errors will not need
678 interoperability you should look for an existing ``std::error_code`` that you
679 can convert to, and even (as painful as it is) consider introducing a new one as
680 a stopgap measure.
682 ``createStringError`` can take ``printf`` style format specifiers to provide a
683 formatted message:
685 .. code-block:: c++
687   createStringError(errc::executable_format_error,
688                     "Bad executable: %s", FileName);
690 Interoperability with std::error_code and ErrorOr
691 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
693 Many existing LLVM APIs use ``std::error_code`` and its partner ``ErrorOr<T>``
694 (which plays the same role as ``Expected<T>``, but wraps a ``std::error_code``
695 rather than an ``Error``). The infectious nature of error types means that an
696 attempt to change one of these functions to return ``Error`` or ``Expected<T>``
697 instead often results in an avalanche of changes to callers, callers of callers,
698 and so on. (The first such attempt, returning an ``Error`` from
699 MachOObjectFile's constructor, was abandoned after the diff reached 3000 lines,
700 impacted half a dozen libraries, and was still growing).
702 To solve this problem, the ``Error``/``std::error_code`` interoperability requirement was
703 introduced. Two pairs of functions allow any ``Error`` value to be converted to a
704 ``std::error_code``, any ``Expected<T>`` to be converted to an ``ErrorOr<T>``, and vice
705 versa:
707 .. code-block:: c++
709   std::error_code errorToErrorCode(Error Err);
710   Error errorCodeToError(std::error_code EC);
712   template <typename T> ErrorOr<T> expectedToErrorOr(Expected<T> TOrErr);
713   template <typename T> Expected<T> errorOrToExpected(ErrorOr<T> TOrEC);
716 Using these APIs it is easy to make surgical patches that update individual
717 functions from ``std::error_code`` to ``Error``, and from ``ErrorOr<T>`` to
718 ``Expected<T>``.
720 Returning Errors from error handlers
721 """"""""""""""""""""""""""""""""""""
723 Error recovery attempts may themselves fail. For that reason, ``handleErrors``
724 actually recognises three different forms of handler signature:
726 .. code-block:: c++
728   // Error must be handled, no new errors produced:
729   void(UserDefinedError &E);
731   // Error must be handled, new errors can be produced:
732   Error(UserDefinedError &E);
734   // Original error can be inspected, then re-wrapped and returned (or a new
735   // error can be produced):
736   Error(std::unique_ptr<UserDefinedError> E);
738 Any error returned from a handler will be returned from the ``handleErrors``
739 function so that it can be handled itself, or propagated up the stack.
741 .. _err_exitonerr:
743 Using ExitOnError to simplify tool code
744 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""
746 Library code should never call ``exit`` for a recoverable error, however in tool
747 code (especially command line tools) this can be a reasonable approach. Calling
748 ``exit`` upon encountering an error dramatically simplifies control flow as the
749 error no longer needs to be propagated up the stack. This allows code to be
750 written in straight-line style, as long as each fallible call is wrapped in a
751 check and call to exit. The ``ExitOnError`` class supports this pattern by
752 providing call operators that inspect ``Error`` values, stripping the error away
753 in the success case and logging to ``stderr`` then exiting in the failure case.
755 To use this class, declare a global ``ExitOnError`` variable in your program:
757 .. code-block:: c++
759   ExitOnError ExitOnErr;
761 Calls to fallible functions can then be wrapped with a call to ``ExitOnErr``,
762 turning them into non-failing calls:
764 .. code-block:: c++
766   Error mayFail();
767   Expected<int> mayFail2();
769   void foo() {
770     ExitOnErr(mayFail());
771     int X = ExitOnErr(mayFail2());
772   }
774 On failure, the error's log message will be written to ``stderr``, optionally
775 preceded by a string "banner" that can be set by calling the setBanner method. A
776 mapping can also be supplied from ``Error`` values to exit codes using the
777 ``setExitCodeMapper`` method:
779 .. code-block:: c++
781   int main(int argc, char *argv[]) {
782     ExitOnErr.setBanner(std::string(argv[0]) + " error:");
783     ExitOnErr.setExitCodeMapper(
784       [](const Error &Err) {
785         if (Err.isA<BadFileFormat>())
786           return 2;
787         return 1;
788       });
790 Use ``ExitOnError`` in your tool code where possible as it can greatly improve
791 readability.
793 .. _err_cantfail:
795 Using cantFail to simplify safe callsites
796 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
798 Some functions may only fail for a subset of their inputs, so calls using known
799 safe inputs can be assumed to succeed.
801 The cantFail functions encapsulate this by wrapping an assertion that their
802 argument is a success value and, in the case of Expected<T>, unwrapping the
803 T value:
805 .. code-block:: c++
807   Error onlyFailsForSomeXValues(int X);
808   Expected<int> onlyFailsForSomeXValues2(int X);
810   void foo() {
811     cantFail(onlyFailsForSomeXValues(KnownSafeValue));
812     int Y = cantFail(onlyFailsForSomeXValues2(KnownSafeValue));
813     ...
814   }
816 Like the ExitOnError utility, cantFail simplifies control flow. Their treatment
817 of error cases is very different however: Where ExitOnError is guaranteed to
818 terminate the program on an error input, cantFile simply asserts that the result
819 is success. In debug builds this will result in an assertion failure if an error
820 is encountered. In release builds the behavior of cantFail for failure values is
821 undefined. As such, care must be taken in the use of cantFail: clients must be
822 certain that a cantFail wrapped call really can not fail with the given
823 arguments.
825 Use of the cantFail functions should be rare in library code, but they are
826 likely to be of more use in tool and unit-test code where inputs and/or
827 mocked-up classes or functions may be known to be safe.
829 Fallible constructors
830 """""""""""""""""""""
832 Some classes require resource acquisition or other complex initialization that
833 can fail during construction. Unfortunately constructors can't return errors,
834 and having clients test objects after they're constructed to ensure that they're
835 valid is error prone as it's all too easy to forget the test. To work around
836 this, use the named constructor idiom and return an ``Expected<T>``:
838 .. code-block:: c++
840   class Foo {
841   public:
843     static Expected<Foo> Create(Resource R1, Resource R2) {
844       Error Err;
845       Foo F(R1, R2, Err);
846       if (Err)
847         return std::move(Err);
848       return std::move(F);
849     }
851   private:
853     Foo(Resource R1, Resource R2, Error &Err) {
854       ErrorAsOutParameter EAO(&Err);
855       if (auto Err2 = R1.acquire()) {
856         Err = std::move(Err2);
857         return;
858       }
859       Err = R2.acquire();
860     }
861   };
864 Here, the named constructor passes an ``Error`` by reference into the actual
865 constructor, which the constructor can then use to return errors. The
866 ``ErrorAsOutParameter`` utility sets the ``Error`` value's checked flag on entry
867 to the constructor so that the error can be assigned to, then resets it on exit
868 to force the client (the named constructor) to check the error.
870 By using this idiom, clients attempting to construct a Foo receive either a
871 well-formed Foo or an Error, never an object in an invalid state.
873 Propagating and consuming errors based on types
874 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
876 In some contexts, certain types of error are known to be benign. For example,
877 when walking an archive, some clients may be happy to skip over badly formatted
878 object files rather than terminating the walk immediately. Skipping badly
879 formatted objects could be achieved using an elaborate handler method, but the
880 Error.h header provides two utilities that make this idiom much cleaner: the
881 type inspection method, ``isA``, and the ``consumeError`` function:
883 .. code-block:: c++
885   Error walkArchive(Archive A) {
886     for (unsigned I = 0; I != A.numMembers(); ++I) {
887       auto ChildOrErr = A.getMember(I);
888       if (auto Err = ChildOrErr.takeError()) {
889         if (Err.isA<BadFileFormat>())
890           consumeError(std::move(Err))
891         else
892           return Err;
893       }
894       auto &Child = *ChildOrErr;
895       // Use Child
896       ...
897     }
898     return Error::success();
899   }
901 Concatenating Errors with joinErrors
902 """"""""""""""""""""""""""""""""""""
904 In the archive walking example above ``BadFileFormat`` errors are simply
905 consumed and ignored. If the client had wanted report these errors after
906 completing the walk over the archive they could use the ``joinErrors`` utility:
908 .. code-block:: c++
910   Error walkArchive(Archive A) {
911     Error DeferredErrs = Error::success();
912     for (unsigned I = 0; I != A.numMembers(); ++I) {
913       auto ChildOrErr = A.getMember(I);
914       if (auto Err = ChildOrErr.takeError())
915         if (Err.isA<BadFileFormat>())
916           DeferredErrs = joinErrors(std::move(DeferredErrs), std::move(Err));
917         else
918           return Err;
919       auto &Child = *ChildOrErr;
920       // Use Child
921       ...
922     }
923     return DeferredErrs;
924   }
926 The ``joinErrors`` routine builds a special error type called ``ErrorList``,
927 which holds a list of user defined errors. The ``handleErrors`` routine
928 recognizes this type and will attempt to handle each of the contained errors in
929 order. If all contained errors can be handled, ``handleErrors`` will return
930 ``Error::success()``, otherwise ``handleErrors`` will concatenate the remaining
931 errors and return the resulting ``ErrorList``.
933 Building fallible iterators and iterator ranges
934 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
936 The archive walking examples above retrieve archive members by index, however
937 this requires considerable boiler-plate for iteration and error checking. We can
938 clean this up by using the "fallible iterator" pattern, which supports the
939 following natural iteration idiom for fallible containers like Archive:
941 .. code-block:: c++
943   Error Err;
944   for (auto &Child : Ar->children(Err)) {
945     // Use Child - only enter the loop when it's valid
947     // Allow early exit from the loop body, since we know that Err is success
948     // when we're inside the loop.
949     if (BailOutOn(Child))
950       return;
952     ...
953   }
954   // Check Err after the loop to ensure it didn't break due to an error.
955   if (Err)
956     return Err;
958 To enable this idiom, iterators over fallible containers are written in a
959 natural style, with their ``++`` and ``--`` operators replaced with fallible
960 ``Error inc()`` and ``Error dec()`` functions. E.g.:
962 .. code-block:: c++
964   class FallibleChildIterator {
965   public:
966     FallibleChildIterator(Archive &A, unsigned ChildIdx);
967     Archive::Child &operator*();
968     friend bool operator==(const ArchiveIterator &LHS,
969                            const ArchiveIterator &RHS);
971     // operator++/operator-- replaced with fallible increment / decrement:
972     Error inc() {
973       if (!A.childValid(ChildIdx + 1))
974         return make_error<BadArchiveMember>(...);
975       ++ChildIdx;
976       return Error::success();
977     }
979     Error dec() { ... }
980   };
982 Instances of this kind of fallible iterator interface are then wrapped with the
983 fallible_iterator utility which provides ``operator++`` and ``operator--``,
984 returning any errors via a reference passed in to the wrapper at construction
985 time. The fallible_iterator wrapper takes care of (a) jumping to the end of the
986 range on error, and (b) marking the error as checked whenever an iterator is
987 compared to ``end`` and found to be inequal (in particular: this marks the
988 error as checked throughout the body of a range-based for loop), enabling early
989 exit from the loop without redundant error checking.
991 Instances of the fallible iterator interface (e.g. FallibleChildIterator above)
992 are wrapped using the ``make_fallible_itr`` and ``make_fallible_end``
993 functions. E.g.:
995 .. code-block:: c++
997   class Archive {
998   public:
999     using child_iterator = fallible_iterator<FallibleChildIterator>;
1001     child_iterator child_begin(Error &Err) {
1002       return make_fallible_itr(FallibleChildIterator(*this, 0), Err);
1003     }
1005     child_iterator child_end() {
1006       return make_fallible_end(FallibleChildIterator(*this, size()));
1007     }
1009     iterator_range<child_iterator> children(Error &Err) {
1010       return make_range(child_begin(Err), child_end());
1011     }
1012   };
1014 Using the fallible_iterator utility allows for both natural construction of
1015 fallible iterators (using failing ``inc`` and ``dec`` operations) and
1016 relatively natural use of c++ iterator/loop idioms.
1018 .. _function_apis:
1020 More information on Error and its related utilities can be found in the
1021 Error.h header file.
1023 Passing functions and other callable objects
1024 --------------------------------------------
1026 Sometimes you may want a function to be passed a callback object. In order to
1027 support lambda expressions and other function objects, you should not use the
1028 traditional C approach of taking a function pointer and an opaque cookie:
1030 .. code-block:: c++
1032     void takeCallback(bool (*Callback)(Function *, void *), void *Cookie);
1034 Instead, use one of the following approaches:
1036 Function template
1037 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1039 If you don't mind putting the definition of your function into a header file,
1040 make it a function template that is templated on the callable type.
1042 .. code-block:: c++
1044     template<typename Callable>
1045     void takeCallback(Callable Callback) {
1046       Callback(1, 2, 3);
1047     }
1049 The ``function_ref`` class template
1050 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1052 The ``function_ref``
1053 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1function__ref_3_01Ret_07Params_8_8_8_08_4.html>`__) class
1054 template represents a reference to a callable object, templated over the type
1055 of the callable. This is a good choice for passing a callback to a function,
1056 if you don't need to hold onto the callback after the function returns. In this
1057 way, ``function_ref`` is to ``std::function`` as ``StringRef`` is to
1058 ``std::string``.
1060 ``function_ref<Ret(Param1, Param2, ...)>`` can be implicitly constructed from
1061 any callable object that can be called with arguments of type ``Param1``,
1062 ``Param2``, ..., and returns a value that can be converted to type ``Ret``.
1063 For example:
1065 .. code-block:: c++
1067     void visitBasicBlocks(Function *F, function_ref<bool (BasicBlock*)> Callback) {
1068       for (BasicBlock &BB : *F)
1069         if (Callback(&BB))
1070           return;
1071     }
1073 can be called using:
1075 .. code-block:: c++
1077     visitBasicBlocks(F, [&](BasicBlock *BB) {
1078       if (process(BB))
1079         return isEmpty(BB);
1080       return false;
1081     });
1083 Note that a ``function_ref`` object contains pointers to external memory, so it
1084 is not generally safe to store an instance of the class (unless you know that
1085 the external storage will not be freed). If you need this ability, consider
1086 using ``std::function``. ``function_ref`` is small enough that it should always
1087 be passed by value.
1089 .. _DEBUG:
1091 The ``LLVM_DEBUG()`` macro and ``-debug`` option
1092 ------------------------------------------------
1094 Often when working on your pass you will put a bunch of debugging printouts and
1095 other code into your pass.  After you get it working, you want to remove it, but
1096 you may need it again in the future (to work out new bugs that you run across).
1098 Naturally, because of this, you don't want to delete the debug printouts, but
1099 you don't want them to always be noisy.  A standard compromise is to comment
1100 them out, allowing you to enable them if you need them in the future.
1102 The ``llvm/Support/Debug.h`` (`doxygen
1103 <http://llvm.org/doxygen/Debug_8h_source.html>`__) file provides a macro named
1104 ``LLVM_DEBUG()`` that is a much nicer solution to this problem.  Basically, you can
1105 put arbitrary code into the argument of the ``LLVM_DEBUG`` macro, and it is only
1106 executed if '``opt``' (or any other tool) is run with the '``-debug``' command
1107 line argument:
1109 .. code-block:: c++
1111   LLVM_DEBUG(dbgs() << "I am here!\n");
1113 Then you can run your pass like this:
1115 .. code-block:: none
1117   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
1118   <no output>
1119   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
1120   I am here!
1122 Using the ``LLVM_DEBUG()`` macro instead of a home-brewed solution allows you to not
1123 have to create "yet another" command line option for the debug output for your
1124 pass.  Note that ``LLVM_DEBUG()`` macros are disabled for non-asserts builds, so they
1125 do not cause a performance impact at all (for the same reason, they should also
1126 not contain side-effects!).
1128 One additional nice thing about the ``LLVM_DEBUG()`` macro is that you can enable or
1129 disable it directly in gdb.  Just use "``set DebugFlag=0``" or "``set
1130 DebugFlag=1``" from the gdb if the program is running.  If the program hasn't
1131 been started yet, you can always just run it with ``-debug``.
1133 .. _DEBUG_TYPE:
1135 Fine grained debug info with ``DEBUG_TYPE`` and the ``-debug-only`` option
1136 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1138 Sometimes you may find yourself in a situation where enabling ``-debug`` just
1139 turns on **too much** information (such as when working on the code generator).
1140 If you want to enable debug information with more fine-grained control, you
1141 should define the ``DEBUG_TYPE`` macro and use the ``-debug-only`` option as
1142 follows:
1144 .. code-block:: c++
1146   #define DEBUG_TYPE "foo"
1147   LLVM_DEBUG(dbgs() << "'foo' debug type\n");
1148   #undef  DEBUG_TYPE
1149   #define DEBUG_TYPE "bar"
1150   LLVM_DEBUG(dbgs() << "'bar' debug type\n");
1151   #undef  DEBUG_TYPE
1153 Then you can run your pass like this:
1155 .. code-block:: none
1157   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass
1158   <no output>
1159   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug
1160   'foo' debug type
1161   'bar' debug type
1162   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo
1163   'foo' debug type
1164   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=bar
1165   'bar' debug type
1166   $ opt < a.bc > /dev/null -mypass -debug-only=foo,bar
1167   'foo' debug type
1168   'bar' debug type
1170 Of course, in practice, you should only set ``DEBUG_TYPE`` at the top of a file,
1171 to specify the debug type for the entire module. Be careful that you only do
1172 this after including Debug.h and not around any #include of headers. Also, you
1173 should use names more meaningful than "foo" and "bar", because there is no
1174 system in place to ensure that names do not conflict. If two different modules
1175 use the same string, they will all be turned on when the name is specified.
1176 This allows, for example, all debug information for instruction scheduling to be
1177 enabled with ``-debug-only=InstrSched``, even if the source lives in multiple
1178 files. The name must not include a comma (,) as that is used to separate the
1179 arguments of the ``-debug-only`` option.
1181 For performance reasons, -debug-only is not available in optimized build
1182 (``--enable-optimized``) of LLVM.
1184 The ``DEBUG_WITH_TYPE`` macro is also available for situations where you would
1185 like to set ``DEBUG_TYPE``, but only for one specific ``DEBUG`` statement.  It
1186 takes an additional first parameter, which is the type to use.  For example, the
1187 preceding example could be written as:
1189 .. code-block:: c++
1191   DEBUG_WITH_TYPE("foo", dbgs() << "'foo' debug type\n");
1192   DEBUG_WITH_TYPE("bar", dbgs() << "'bar' debug type\n");
1194 .. _Statistic:
1196 The ``Statistic`` class & ``-stats`` option
1197 -------------------------------------------
1199 The ``llvm/ADT/Statistic.h`` (`doxygen
1200 <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h_source.html>`__) file provides a class
1201 named ``Statistic`` that is used as a unified way to keep track of what the LLVM
1202 compiler is doing and how effective various optimizations are.  It is useful to
1203 see what optimizations are contributing to making a particular program run
1204 faster.
1206 Often you may run your pass on some big program, and you're interested to see
1207 how many times it makes a certain transformation.  Although you can do this with
1208 hand inspection, or some ad-hoc method, this is a real pain and not very useful
1209 for big programs.  Using the ``Statistic`` class makes it very easy to keep
1210 track of this information, and the calculated information is presented in a
1211 uniform manner with the rest of the passes being executed.
1213 There are many examples of ``Statistic`` uses, but the basics of using it are as
1214 follows:
1216 Define your statistic like this:
1218 .. code-block:: c++
1220   #define DEBUG_TYPE "mypassname"   // This goes before any #includes.
1221   STATISTIC(NumXForms, "The # of times I did stuff");
1223 The ``STATISTIC`` macro defines a static variable, whose name is specified by
1224 the first argument.  The pass name is taken from the ``DEBUG_TYPE`` macro, and
1225 the description is taken from the second argument.  The variable defined
1226 ("NumXForms" in this case) acts like an unsigned integer.
1228 Whenever you make a transformation, bump the counter:
1230 .. code-block:: c++
1232   ++NumXForms;   // I did stuff!
1234 That's all you have to do.  To get '``opt``' to print out the statistics
1235 gathered, use the '``-stats``' option:
1237 .. code-block:: none
1239   $ opt -stats -mypassname < program.bc > /dev/null
1240   ... statistics output ...
1242 Note that in order to use the '``-stats``' option, LLVM must be
1243 compiled with assertions enabled.
1245 When running ``opt`` on a C file from the SPEC benchmark suite, it gives a
1246 report that looks like this:
1248 .. code-block:: none
1250    7646 bitcodewriter   - Number of normal instructions
1251     725 bitcodewriter   - Number of oversized instructions
1252  129996 bitcodewriter   - Number of bitcode bytes written
1253    2817 raise           - Number of insts DCEd or constprop'd
1254    3213 raise           - Number of cast-of-self removed
1255    5046 raise           - Number of expression trees converted
1256      75 raise           - Number of other getelementptr's formed
1257     138 raise           - Number of load/store peepholes
1258      42 deadtypeelim    - Number of unused typenames removed from symtab
1259     392 funcresolve     - Number of varargs functions resolved
1260      27 globaldce       - Number of global variables removed
1261       2 adce            - Number of basic blocks removed
1262     134 cee             - Number of branches revectored
1263      49 cee             - Number of setcc instruction eliminated
1264     532 gcse            - Number of loads removed
1265    2919 gcse            - Number of instructions removed
1266      86 indvars         - Number of canonical indvars added
1267      87 indvars         - Number of aux indvars removed
1268      25 instcombine     - Number of dead inst eliminate
1269     434 instcombine     - Number of insts combined
1270     248 licm            - Number of load insts hoisted
1271    1298 licm            - Number of insts hoisted to a loop pre-header
1272       3 licm            - Number of insts hoisted to multiple loop preds (bad, no loop pre-header)
1273      75 mem2reg         - Number of alloca's promoted
1274    1444 cfgsimplify     - Number of blocks simplified
1276 Obviously, with so many optimizations, having a unified framework for this stuff
1277 is very nice.  Making your pass fit well into the framework makes it more
1278 maintainable and useful.
1280 .. _DebugCounters:
1282 Adding debug counters to aid in debugging your code
1283 ---------------------------------------------------
1285 Sometimes, when writing new passes, or trying to track down bugs, it
1286 is useful to be able to control whether certain things in your pass
1287 happen or not.  For example, there are times the minimization tooling
1288 can only easily give you large testcases.  You would like to narrow
1289 your bug down to a specific transformation happening or not happening,
1290 automatically, using bisection.  This is where debug counters help.
1291 They provide a framework for making parts of your code only execute a
1292 certain number of times.
1294 The ``llvm/Support/DebugCounter.h`` (`doxygen
1295 <http://llvm.org/doxygen/DebugCounter_8h_source.html>`__) file
1296 provides a class named ``DebugCounter`` that can be used to create
1297 command line counter options that control execution of parts of your code.
1299 Define your DebugCounter like this:
1301 .. code-block:: c++
1303   DEBUG_COUNTER(DeleteAnInstruction, "passname-delete-instruction",
1304                 "Controls which instructions get delete");
1306 The ``DEBUG_COUNTER`` macro defines a static variable, whose name
1307 is specified by the first argument.  The name of the counter
1308 (which is used on the command line) is specified by the second
1309 argument, and the description used in the help is specified by the
1310 third argument.
1312 Whatever code you want that control, use ``DebugCounter::shouldExecute`` to control it.
1314 .. code-block:: c++
1316   if (DebugCounter::shouldExecute(DeleteAnInstruction))
1317     I->eraseFromParent();
1319 That's all you have to do.  Now, using opt, you can control when this code triggers using
1320 the '``--debug-counter``' option.  There are two counters provided, ``skip`` and ``count``.
1321 ``skip`` is the number of times to skip execution of the codepath.  ``count`` is the number
1322 of times, once we are done skipping, to execute the codepath.
1324 .. code-block:: none
1326   $ opt --debug-counter=passname-delete-instruction-skip=1,passname-delete-instruction-count=2 -passname
1328 This will skip the above code the first time we hit it, then execute it twice, then skip the rest of the executions.
1330 So if executed on the following code:
1332 .. code-block:: llvm
1334   %1 = add i32 %a, %b
1335   %2 = add i32 %a, %b
1336   %3 = add i32 %a, %b
1337   %4 = add i32 %a, %b
1339 It would delete number ``%2`` and ``%3``.
1341 A utility is provided in `utils/bisect-skip-count` to binary search
1342 skip and count arguments. It can be used to automatically minimize the
1343 skip and count for a debug-counter variable.
1345 .. _ViewGraph:
1347 Viewing graphs while debugging code
1348 -----------------------------------
1350 Several of the important data structures in LLVM are graphs: for example CFGs
1351 made out of LLVM :ref:`BasicBlocks <BasicBlock>`, CFGs made out of LLVM
1352 :ref:`MachineBasicBlocks <MachineBasicBlock>`, and :ref:`Instruction Selection
1353 DAGs <SelectionDAG>`.  In many cases, while debugging various parts of the
1354 compiler, it is nice to instantly visualize these graphs.
1356 LLVM provides several callbacks that are available in a debug build to do
1357 exactly that.  If you call the ``Function::viewCFG()`` method, for example, the
1358 current LLVM tool will pop up a window containing the CFG for the function where
1359 each basic block is a node in the graph, and each node contains the instructions
1360 in the block.  Similarly, there also exists ``Function::viewCFGOnly()`` (does
1361 not include the instructions), the ``MachineFunction::viewCFG()`` and
1362 ``MachineFunction::viewCFGOnly()``, and the ``SelectionDAG::viewGraph()``
1363 methods.  Within GDB, for example, you can usually use something like ``call
1364 DAG.viewGraph()`` to pop up a window.  Alternatively, you can sprinkle calls to
1365 these functions in your code in places you want to debug.
1367 Getting this to work requires a small amount of setup.  On Unix systems
1368 with X11, install the `graphviz <http://www.graphviz.org>`_ toolkit, and make
1369 sure 'dot' and 'gv' are in your path.  If you are running on Mac OS X, download
1370 and install the Mac OS X `Graphviz program
1371 <http://www.pixelglow.com/graphviz/>`_ and add
1372 ``/Applications/Graphviz.app/Contents/MacOS/`` (or wherever you install it) to
1373 your path. The programs need not be present when configuring, building or
1374 running LLVM and can simply be installed when needed during an active debug
1375 session.
1377 ``SelectionDAG`` has been extended to make it easier to locate *interesting*
1378 nodes in large complex graphs.  From gdb, if you ``call DAG.setGraphColor(node,
1379 "color")``, then the next ``call DAG.viewGraph()`` would highlight the node in
1380 the specified color (choices of colors can be found at `colors
1381 <http://www.graphviz.org/doc/info/colors.html>`_.) More complex node attributes
1382 can be provided with ``call DAG.setGraphAttrs(node, "attributes")`` (choices can
1383 be found at `Graph attributes <http://www.graphviz.org/doc/info/attrs.html>`_.)
1384 If you want to restart and clear all the current graph attributes, then you can
1385 ``call DAG.clearGraphAttrs()``.
1387 Note that graph visualization features are compiled out of Release builds to
1388 reduce file size.  This means that you need a Debug+Asserts or Release+Asserts
1389 build to use these features.
1391 .. _datastructure:
1393 Picking the Right Data Structure for a Task
1394 ===========================================
1396 LLVM has a plethora of data structures in the ``llvm/ADT/`` directory, and we
1397 commonly use STL data structures.  This section describes the trade-offs you
1398 should consider when you pick one.
1400 The first step is a choose your own adventure: do you want a sequential
1401 container, a set-like container, or a map-like container?  The most important
1402 thing when choosing a container is the algorithmic properties of how you plan to
1403 access the container.  Based on that, you should use:
1406 * a :ref:`map-like <ds_map>` container if you need efficient look-up of a
1407   value based on another value.  Map-like containers also support efficient
1408   queries for containment (whether a key is in the map).  Map-like containers
1409   generally do not support efficient reverse mapping (values to keys).  If you
1410   need that, use two maps.  Some map-like containers also support efficient
1411   iteration through the keys in sorted order.  Map-like containers are the most
1412   expensive sort, only use them if you need one of these capabilities.
1414 * a :ref:`set-like <ds_set>` container if you need to put a bunch of stuff into
1415   a container that automatically eliminates duplicates.  Some set-like
1416   containers support efficient iteration through the elements in sorted order.
1417   Set-like containers are more expensive than sequential containers.
1419 * a :ref:`sequential <ds_sequential>` container provides the most efficient way
1420   to add elements and keeps track of the order they are added to the collection.
1421   They permit duplicates and support efficient iteration, but do not support
1422   efficient look-up based on a key.
1424 * a :ref:`string <ds_string>` container is a specialized sequential container or
1425   reference structure that is used for character or byte arrays.
1427 * a :ref:`bit <ds_bit>` container provides an efficient way to store and
1428   perform set operations on sets of numeric id's, while automatically
1429   eliminating duplicates.  Bit containers require a maximum of 1 bit for each
1430   identifier you want to store.
1432 Once the proper category of container is determined, you can fine tune the
1433 memory use, constant factors, and cache behaviors of access by intelligently
1434 picking a member of the category.  Note that constant factors and cache behavior
1435 can be a big deal.  If you have a vector that usually only contains a few
1436 elements (but could contain many), for example, it's much better to use
1437 :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` than :ref:`vector <dss_vector>`.  Doing so
1438 avoids (relatively) expensive malloc/free calls, which dwarf the cost of adding
1439 the elements to the container.
1441 .. _ds_sequential:
1443 Sequential Containers (std::vector, std::list, etc)
1444 ---------------------------------------------------
1446 There are a variety of sequential containers available for you, based on your
1447 needs.  Pick the first in this section that will do what you want.
1449 .. _dss_arrayref:
1451 llvm/ADT/ArrayRef.h
1452 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1454 The ``llvm::ArrayRef`` class is the preferred class to use in an interface that
1455 accepts a sequential list of elements in memory and just reads from them.  By
1456 taking an ``ArrayRef``, the API can be passed a fixed size array, an
1457 ``std::vector``, an ``llvm::SmallVector`` and anything else that is contiguous
1458 in memory.
1460 .. _dss_fixedarrays:
1462 Fixed Size Arrays
1463 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1465 Fixed size arrays are very simple and very fast.  They are good if you know
1466 exactly how many elements you have, or you have a (low) upper bound on how many
1467 you have.
1469 .. _dss_heaparrays:
1471 Heap Allocated Arrays
1472 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1474 Heap allocated arrays (``new[]`` + ``delete[]``) are also simple.  They are good
1475 if the number of elements is variable, if you know how many elements you will
1476 need before the array is allocated, and if the array is usually large (if not,
1477 consider a :ref:`SmallVector <dss_smallvector>`).  The cost of a heap allocated
1478 array is the cost of the new/delete (aka malloc/free).  Also note that if you
1479 are allocating an array of a type with a constructor, the constructor and
1480 destructors will be run for every element in the array (re-sizable vectors only
1481 construct those elements actually used).
1483 .. _dss_tinyptrvector:
1485 llvm/ADT/TinyPtrVector.h
1486 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1488 ``TinyPtrVector<Type>`` is a highly specialized collection class that is
1489 optimized to avoid allocation in the case when a vector has zero or one
1490 elements.  It has two major restrictions: 1) it can only hold values of pointer
1491 type, and 2) it cannot hold a null pointer.
1493 Since this container is highly specialized, it is rarely used.
1495 .. _dss_smallvector:
1497 llvm/ADT/SmallVector.h
1498 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1500 ``SmallVector<Type, N>`` is a simple class that looks and smells just like
1501 ``vector<Type>``: it supports efficient iteration, lays out elements in memory
1502 order (so you can do pointer arithmetic between elements), supports efficient
1503 push_back/pop_back operations, supports efficient random access to its elements,
1504 etc.
1506 The main advantage of SmallVector is that it allocates space for some number of
1507 elements (N) **in the object itself**.  Because of this, if the SmallVector is
1508 dynamically smaller than N, no malloc is performed.  This can be a big win in
1509 cases where the malloc/free call is far more expensive than the code that
1510 fiddles around with the elements.
1512 This is good for vectors that are "usually small" (e.g. the number of
1513 predecessors/successors of a block is usually less than 8).  On the other hand,
1514 this makes the size of the SmallVector itself large, so you don't want to
1515 allocate lots of them (doing so will waste a lot of space).  As such,
1516 SmallVectors are most useful when on the stack.
1518 SmallVector also provides a nice portable and efficient replacement for
1519 ``alloca``.
1521 SmallVector has grown a few other minor advantages over std::vector, causing
1522 ``SmallVector<Type, 0>`` to be preferred over ``std::vector<Type>``.
1524 #. std::vector is exception-safe, and some implementations have pessimizations
1525    that copy elements when SmallVector would move them.
1527 #. SmallVector understands ``llvm::is_trivially_copyable<Type>`` and uses realloc aggressively.
1529 #. Many LLVM APIs take a SmallVectorImpl as an out parameter (see the note
1530    below).
1532 #. SmallVector with N equal to 0 is smaller than std::vector on 64-bit
1533    platforms, since it uses ``unsigned`` (instead of ``void*``) for its size
1534    and capacity.
1536 .. note::
1538    Prefer to use ``SmallVectorImpl<T>`` as a parameter type.
1540    In APIs that don't care about the "small size" (most?), prefer to use
1541    the ``SmallVectorImpl<T>`` class, which is basically just the "vector
1542    header" (and methods) without the elements allocated after it. Note that
1543    ``SmallVector<T, N>`` inherits from ``SmallVectorImpl<T>`` so the
1544    conversion is implicit and costs nothing. E.g.
1546    .. code-block:: c++
1548       // BAD: Clients cannot pass e.g. SmallVector<Foo, 4>.
1549       hardcodedSmallSize(SmallVector<Foo, 2> &Out);
1550       // GOOD: Clients can pass any SmallVector<Foo, N>.
1551       allowsAnySmallSize(SmallVectorImpl<Foo> &Out);
1553       void someFunc() {
1554         SmallVector<Foo, 8> Vec;
1555         hardcodedSmallSize(Vec); // Error.
1556         allowsAnySmallSize(Vec); // Works.
1557       }
1559    Even though it has "``Impl``" in the name, this is so widely used that
1560    it really isn't "private to the implementation" anymore. A name like
1561    ``SmallVectorHeader`` would be more appropriate.
1563 .. _dss_vector:
1565 <vector>
1566 ^^^^^^^^
1568 ``std::vector<T>`` is well loved and respected.  However, ``SmallVector<T, 0>``
1569 is often a better option due to the advantages listed above.  std::vector is
1570 still useful when you need to store more than ``UINT32_MAX`` elements or when
1571 interfacing with code that expects vectors :).
1573 One worthwhile note about std::vector: avoid code like this:
1575 .. code-block:: c++
1577   for ( ... ) {
1578      std::vector<foo> V;
1579      // make use of V.
1580   }
1582 Instead, write this as:
1584 .. code-block:: c++
1586   std::vector<foo> V;
1587   for ( ... ) {
1588      // make use of V.
1589      V.clear();
1590   }
1592 Doing so will save (at least) one heap allocation and free per iteration of the
1593 loop.
1595 .. _dss_deque:
1597 <deque>
1598 ^^^^^^^
1600 ``std::deque`` is, in some senses, a generalized version of ``std::vector``.
1601 Like ``std::vector``, it provides constant time random access and other similar
1602 properties, but it also provides efficient access to the front of the list.  It
1603 does not guarantee continuity of elements within memory.
1605 In exchange for this extra flexibility, ``std::deque`` has significantly higher
1606 constant factor costs than ``std::vector``.  If possible, use ``std::vector`` or
1607 something cheaper.
1609 .. _dss_list:
1611 <list>
1612 ^^^^^^
1614 ``std::list`` is an extremely inefficient class that is rarely useful.  It
1615 performs a heap allocation for every element inserted into it, thus having an
1616 extremely high constant factor, particularly for small data types.
1617 ``std::list`` also only supports bidirectional iteration, not random access
1618 iteration.
1620 In exchange for this high cost, std::list supports efficient access to both ends
1621 of the list (like ``std::deque``, but unlike ``std::vector`` or
1622 ``SmallVector``).  In addition, the iterator invalidation characteristics of
1623 std::list are stronger than that of a vector class: inserting or removing an
1624 element into the list does not invalidate iterator or pointers to other elements
1625 in the list.
1627 .. _dss_ilist:
1629 llvm/ADT/ilist.h
1630 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1632 ``ilist<T>`` implements an 'intrusive' doubly-linked list.  It is intrusive,
1633 because it requires the element to store and provide access to the prev/next
1634 pointers for the list.
1636 ``ilist`` has the same drawbacks as ``std::list``, and additionally requires an
1637 ``ilist_traits`` implementation for the element type, but it provides some novel
1638 characteristics.  In particular, it can efficiently store polymorphic objects,
1639 the traits class is informed when an element is inserted or removed from the
1640 list, and ``ilist``\ s are guaranteed to support a constant-time splice
1641 operation.
1643 These properties are exactly what we want for things like ``Instruction``\ s and
1644 basic blocks, which is why these are implemented with ``ilist``\ s.
1646 Related classes of interest are explained in the following subsections:
1648 * :ref:`ilist_traits <dss_ilist_traits>`
1650 * :ref:`iplist <dss_iplist>`
1652 * :ref:`llvm/ADT/ilist_node.h <dss_ilist_node>`
1654 * :ref:`Sentinels <dss_ilist_sentinel>`
1656 .. _dss_packedvector:
1658 llvm/ADT/PackedVector.h
1659 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1661 Useful for storing a vector of values using only a few number of bits for each
1662 value.  Apart from the standard operations of a vector-like container, it can
1663 also perform an 'or' set operation.
1665 For example:
1667 .. code-block:: c++
1669   enum State {
1670       None = 0x0,
1671       FirstCondition = 0x1,
1672       SecondCondition = 0x2,
1673       Both = 0x3
1674   };
1676   State get() {
1677       PackedVector<State, 2> Vec1;
1678       Vec1.push_back(FirstCondition);
1680       PackedVector<State, 2> Vec2;
1681       Vec2.push_back(SecondCondition);
1683       Vec1 |= Vec2;
1684       return Vec1[0]; // returns 'Both'.
1685   }
1687 .. _dss_ilist_traits:
1689 ilist_traits
1690 ^^^^^^^^^^^^
1692 ``ilist_traits<T>`` is ``ilist<T>``'s customization mechanism. ``iplist<T>``
1693 (and consequently ``ilist<T>``) publicly derive from this traits class.
1695 .. _dss_iplist:
1697 iplist
1698 ^^^^^^
1700 ``iplist<T>`` is ``ilist<T>``'s base and as such supports a slightly narrower
1701 interface.  Notably, inserters from ``T&`` are absent.
1703 ``ilist_traits<T>`` is a public base of this class and can be used for a wide
1704 variety of customizations.
1706 .. _dss_ilist_node:
1708 llvm/ADT/ilist_node.h
1709 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1711 ``ilist_node<T>`` implements the forward and backward links that are expected
1712 by the ``ilist<T>`` (and analogous containers) in the default manner.
1714 ``ilist_node<T>``\ s are meant to be embedded in the node type ``T``, usually
1715 ``T`` publicly derives from ``ilist_node<T>``.
1717 .. _dss_ilist_sentinel:
1719 Sentinels
1720 ^^^^^^^^^
1722 ``ilist``\ s have another specialty that must be considered.  To be a good
1723 citizen in the C++ ecosystem, it needs to support the standard container
1724 operations, such as ``begin`` and ``end`` iterators, etc.  Also, the
1725 ``operator--`` must work correctly on the ``end`` iterator in the case of
1726 non-empty ``ilist``\ s.
1728 The only sensible solution to this problem is to allocate a so-called *sentinel*
1729 along with the intrusive list, which serves as the ``end`` iterator, providing
1730 the back-link to the last element.  However conforming to the C++ convention it
1731 is illegal to ``operator++`` beyond the sentinel and it also must not be
1732 dereferenced.
1734 These constraints allow for some implementation freedom to the ``ilist`` how to
1735 allocate and store the sentinel.  The corresponding policy is dictated by
1736 ``ilist_traits<T>``.  By default a ``T`` gets heap-allocated whenever the need
1737 for a sentinel arises.
1739 While the default policy is sufficient in most cases, it may break down when
1740 ``T`` does not provide a default constructor.  Also, in the case of many
1741 instances of ``ilist``\ s, the memory overhead of the associated sentinels is
1742 wasted.  To alleviate the situation with numerous and voluminous
1743 ``T``-sentinels, sometimes a trick is employed, leading to *ghostly sentinels*.
1745 Ghostly sentinels are obtained by specially-crafted ``ilist_traits<T>`` which
1746 superpose the sentinel with the ``ilist`` instance in memory.  Pointer
1747 arithmetic is used to obtain the sentinel, which is relative to the ``ilist``'s
1748 ``this`` pointer.  The ``ilist`` is augmented by an extra pointer, which serves
1749 as the back-link of the sentinel.  This is the only field in the ghostly
1750 sentinel which can be legally accessed.
1752 .. _dss_other:
1754 Other Sequential Container options
1755 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1757 Other STL containers are available, such as ``std::string``.
1759 There are also various STL adapter classes such as ``std::queue``,
1760 ``std::priority_queue``, ``std::stack``, etc.  These provide simplified access
1761 to an underlying container but don't affect the cost of the container itself.
1763 .. _ds_string:
1765 String-like containers
1766 ----------------------
1768 There are a variety of ways to pass around and use strings in C and C++, and
1769 LLVM adds a few new options to choose from.  Pick the first option on this list
1770 that will do what you need, they are ordered according to their relative cost.
1772 Note that it is generally preferred to *not* pass strings around as ``const
1773 char*``'s.  These have a number of problems, including the fact that they
1774 cannot represent embedded nul ("\0") characters, and do not have a length
1775 available efficiently.  The general replacement for '``const char*``' is
1776 StringRef.
1778 For more information on choosing string containers for APIs, please see
1779 :ref:`Passing Strings <string_apis>`.
1781 .. _dss_stringref:
1783 llvm/ADT/StringRef.h
1784 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1786 The StringRef class is a simple value class that contains a pointer to a
1787 character and a length, and is quite related to the :ref:`ArrayRef
1788 <dss_arrayref>` class (but specialized for arrays of characters).  Because
1789 StringRef carries a length with it, it safely handles strings with embedded nul
1790 characters in it, getting the length does not require a strlen call, and it even
1791 has very convenient APIs for slicing and dicing the character range that it
1792 represents.
1794 StringRef is ideal for passing simple strings around that are known to be live,
1795 either because they are C string literals, std::string, a C array, or a
1796 SmallVector.  Each of these cases has an efficient implicit conversion to
1797 StringRef, which doesn't result in a dynamic strlen being executed.
1799 StringRef has a few major limitations which make more powerful string containers
1800 useful:
1802 #. You cannot directly convert a StringRef to a 'const char*' because there is
1803    no way to add a trailing nul (unlike the .c_str() method on various stronger
1804    classes).
1806 #. StringRef doesn't own or keep alive the underlying string bytes.
1807    As such it can easily lead to dangling pointers, and is not suitable for
1808    embedding in datastructures in most cases (instead, use an std::string or
1809    something like that).
1811 #. For the same reason, StringRef cannot be used as the return value of a
1812    method if the method "computes" the result string.  Instead, use std::string.
1814 #. StringRef's do not allow you to mutate the pointed-to string bytes and it
1815    doesn't allow you to insert or remove bytes from the range.  For editing
1816    operations like this, it interoperates with the :ref:`Twine <dss_twine>`
1817    class.
1819 Because of its strengths and limitations, it is very common for a function to
1820 take a StringRef and for a method on an object to return a StringRef that points
1821 into some string that it owns.
1823 .. _dss_twine:
1825 llvm/ADT/Twine.h
1826 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1828 The Twine class is used as an intermediary datatype for APIs that want to take a
1829 string that can be constructed inline with a series of concatenations.  Twine
1830 works by forming recursive instances of the Twine datatype (a simple value
1831 object) on the stack as temporary objects, linking them together into a tree
1832 which is then linearized when the Twine is consumed.  Twine is only safe to use
1833 as the argument to a function, and should always be a const reference, e.g.:
1835 .. code-block:: c++
1837   void foo(const Twine &T);
1838   ...
1839   StringRef X = ...
1840   unsigned i = ...
1841   foo(X + "." + Twine(i));
1843 This example forms a string like "blarg.42" by concatenating the values
1844 together, and does not form intermediate strings containing "blarg" or "blarg.".
1846 Because Twine is constructed with temporary objects on the stack, and because
1847 these instances are destroyed at the end of the current statement, it is an
1848 inherently dangerous API.  For example, this simple variant contains undefined
1849 behavior and will probably crash:
1851 .. code-block:: c++
1853   void foo(const Twine &T);
1854   ...
1855   StringRef X = ...
1856   unsigned i = ...
1857   const Twine &Tmp = X + "." + Twine(i);
1858   foo(Tmp);
1860 ... because the temporaries are destroyed before the call.  That said, Twine's
1861 are much more efficient than intermediate std::string temporaries, and they work
1862 really well with StringRef.  Just be aware of their limitations.
1864 .. _dss_smallstring:
1866 llvm/ADT/SmallString.h
1867 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1869 SmallString is a subclass of :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` that adds some
1870 convenience APIs like += that takes StringRef's.  SmallString avoids allocating
1871 memory in the case when the preallocated space is enough to hold its data, and
1872 it calls back to general heap allocation when required.  Since it owns its data,
1873 it is very safe to use and supports full mutation of the string.
1875 Like SmallVector's, the big downside to SmallString is their sizeof.  While they
1876 are optimized for small strings, they themselves are not particularly small.
1877 This means that they work great for temporary scratch buffers on the stack, but
1878 should not generally be put into the heap: it is very rare to see a SmallString
1879 as the member of a frequently-allocated heap data structure or returned
1880 by-value.
1882 .. _dss_stdstring:
1884 std::string
1885 ^^^^^^^^^^^
1887 The standard C++ std::string class is a very general class that (like
1888 SmallString) owns its underlying data.  sizeof(std::string) is very reasonable
1889 so it can be embedded into heap data structures and returned by-value.  On the
1890 other hand, std::string is highly inefficient for inline editing (e.g.
1891 concatenating a bunch of stuff together) and because it is provided by the
1892 standard library, its performance characteristics depend a lot of the host
1893 standard library (e.g. libc++ and MSVC provide a highly optimized string class,
1894 GCC contains a really slow implementation).
1896 The major disadvantage of std::string is that almost every operation that makes
1897 them larger can allocate memory, which is slow.  As such, it is better to use
1898 SmallVector or Twine as a scratch buffer, but then use std::string to persist
1899 the result.
1901 .. _ds_set:
1903 Set-Like Containers (std::set, SmallSet, SetVector, etc)
1904 --------------------------------------------------------
1906 Set-like containers are useful when you need to canonicalize multiple values
1907 into a single representation.  There are several different choices for how to do
1908 this, providing various trade-offs.
1910 .. _dss_sortedvectorset:
1912 A sorted 'vector'
1913 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
1915 If you intend to insert a lot of elements, then do a lot of queries, a great
1916 approach is to use an std::vector (or other sequential container) with
1917 std::sort+std::unique to remove duplicates.  This approach works really well if
1918 your usage pattern has these two distinct phases (insert then query), and can be
1919 coupled with a good choice of :ref:`sequential container <ds_sequential>`.
1921 This combination provides the several nice properties: the result data is
1922 contiguous in memory (good for cache locality), has few allocations, is easy to
1923 address (iterators in the final vector are just indices or pointers), and can be
1924 efficiently queried with a standard binary search (e.g.
1925 ``std::lower_bound``; if you want the whole range of elements comparing
1926 equal, use ``std::equal_range``).
1928 .. _dss_smallset:
1930 llvm/ADT/SmallSet.h
1931 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1933 If you have a set-like data structure that is usually small and whose elements
1934 are reasonably small, a ``SmallSet<Type, N>`` is a good choice.  This set has
1935 space for N elements in place (thus, if the set is dynamically smaller than N,
1936 no malloc traffic is required) and accesses them with a simple linear search.
1937 When the set grows beyond N elements, it allocates a more expensive
1938 representation that guarantees efficient access (for most types, it falls back
1939 to :ref:`std::set <dss_set>`, but for pointers it uses something far better,
1940 :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>`.
1942 The magic of this class is that it handles small sets extremely efficiently, but
1943 gracefully handles extremely large sets without loss of efficiency.
1945 .. _dss_smallptrset:
1947 llvm/ADT/SmallPtrSet.h
1948 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1950 ``SmallPtrSet`` has all the advantages of ``SmallSet`` (and a ``SmallSet`` of
1951 pointers is transparently implemented with a ``SmallPtrSet``). If more than N
1952 insertions are performed, a single quadratically probed hash table is allocated
1953 and grows as needed, providing extremely efficient access (constant time
1954 insertion/deleting/queries with low constant factors) and is very stingy with
1955 malloc traffic.
1957 Note that, unlike :ref:`std::set <dss_set>`, the iterators of ``SmallPtrSet``
1958 are invalidated whenever an insertion occurs.  Also, the values visited by the
1959 iterators are not visited in sorted order.
1961 .. _dss_stringset:
1963 llvm/ADT/StringSet.h
1964 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1966 ``StringSet`` is a thin wrapper around :ref:`StringMap\<char\> <dss_stringmap>`,
1967 and it allows efficient storage and retrieval of unique strings.
1969 Functionally analogous to ``SmallSet<StringRef>``, ``StringSet`` also supports
1970 iteration. (The iterator dereferences to a ``StringMapEntry<char>``, so you
1971 need to call ``i->getKey()`` to access the item of the StringSet.)  On the
1972 other hand, ``StringSet`` doesn't support range-insertion and
1973 copy-construction, which :ref:`SmallSet <dss_smallset>` and :ref:`SmallPtrSet
1974 <dss_smallptrset>` do support.
1976 .. _dss_denseset:
1978 llvm/ADT/DenseSet.h
1979 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1981 DenseSet is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
1982 small values: it uses a single allocation to hold all of the pairs that are
1983 currently inserted in the set.  DenseSet is a great way to unique small values
1984 that are not simple pointers (use :ref:`SmallPtrSet <dss_smallptrset>` for
1985 pointers).  Note that DenseSet has the same requirements for the value type that
1986 :ref:`DenseMap <dss_densemap>` has.
1988 .. _dss_sparseset:
1990 llvm/ADT/SparseSet.h
1991 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1993 SparseSet holds a small number of objects identified by unsigned keys of
1994 moderate size.  It uses a lot of memory, but provides operations that are almost
1995 as fast as a vector.  Typical keys are physical registers, virtual registers, or
1996 numbered basic blocks.
1998 SparseSet is useful for algorithms that need very fast clear/find/insert/erase
1999 and fast iteration over small sets.  It is not intended for building composite
2000 data structures.
2002 .. _dss_sparsemultiset:
2004 llvm/ADT/SparseMultiSet.h
2005 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2007 SparseMultiSet adds multiset behavior to SparseSet, while retaining SparseSet's
2008 desirable attributes. Like SparseSet, it typically uses a lot of memory, but
2009 provides operations that are almost as fast as a vector.  Typical keys are
2010 physical registers, virtual registers, or numbered basic blocks.
2012 SparseMultiSet is useful for algorithms that need very fast
2013 clear/find/insert/erase of the entire collection, and iteration over sets of
2014 elements sharing a key. It is often a more efficient choice than using composite
2015 data structures (e.g. vector-of-vectors, map-of-vectors). It is not intended for
2016 building composite data structures.
2018 .. _dss_FoldingSet:
2020 llvm/ADT/FoldingSet.h
2021 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2023 FoldingSet is an aggregate class that is really good at uniquing
2024 expensive-to-create or polymorphic objects.  It is a combination of a chained
2025 hash table with intrusive links (uniqued objects are required to inherit from
2026 FoldingSetNode) that uses :ref:`SmallVector <dss_smallvector>` as part of its ID
2027 process.
2029 Consider a case where you want to implement a "getOrCreateFoo" method for a
2030 complex object (for example, a node in the code generator).  The client has a
2031 description of **what** it wants to generate (it knows the opcode and all the
2032 operands), but we don't want to 'new' a node, then try inserting it into a set
2033 only to find out it already exists, at which point we would have to delete it
2034 and return the node that already exists.
2036 To support this style of client, FoldingSet perform a query with a
2037 FoldingSetNodeID (which wraps SmallVector) that can be used to describe the
2038 element that we want to query for.  The query either returns the element
2039 matching the ID or it returns an opaque ID that indicates where insertion should
2040 take place.  Construction of the ID usually does not require heap traffic.
2042 Because FoldingSet uses intrusive links, it can support polymorphic objects in
2043 the set (for example, you can have SDNode instances mixed with LoadSDNodes).
2044 Because the elements are individually allocated, pointers to the elements are
2045 stable: inserting or removing elements does not invalidate any pointers to other
2046 elements.
2048 .. _dss_set:
2050 <set>
2051 ^^^^^
2053 ``std::set`` is a reasonable all-around set class, which is decent at many
2054 things but great at nothing.  std::set allocates memory for each element
2055 inserted (thus it is very malloc intensive) and typically stores three pointers
2056 per element in the set (thus adding a large amount of per-element space
2057 overhead).  It offers guaranteed log(n) performance, which is not particularly
2058 fast from a complexity standpoint (particularly if the elements of the set are
2059 expensive to compare, like strings), and has extremely high constant factors for
2060 lookup, insertion and removal.
2062 The advantages of std::set are that its iterators are stable (deleting or
2063 inserting an element from the set does not affect iterators or pointers to other
2064 elements) and that iteration over the set is guaranteed to be in sorted order.
2065 If the elements in the set are large, then the relative overhead of the pointers
2066 and malloc traffic is not a big deal, but if the elements of the set are small,
2067 std::set is almost never a good choice.
2069 .. _dss_setvector:
2071 llvm/ADT/SetVector.h
2072 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2074 LLVM's ``SetVector<Type>`` is an adapter class that combines your choice of a
2075 set-like container along with a :ref:`Sequential Container <ds_sequential>` The
2076 important property that this provides is efficient insertion with uniquing
2077 (duplicate elements are ignored) with iteration support.  It implements this by
2078 inserting elements into both a set-like container and the sequential container,
2079 using the set-like container for uniquing and the sequential container for
2080 iteration.
2082 The difference between SetVector and other sets is that the order of iteration
2083 is guaranteed to match the order of insertion into the SetVector.  This property
2084 is really important for things like sets of pointers.  Because pointer values
2085 are non-deterministic (e.g. vary across runs of the program on different
2086 machines), iterating over the pointers in the set will not be in a well-defined
2087 order.
2089 The drawback of SetVector is that it requires twice as much space as a normal
2090 set and has the sum of constant factors from the set-like container and the
2091 sequential container that it uses.  Use it **only** if you need to iterate over
2092 the elements in a deterministic order.  SetVector is also expensive to delete
2093 elements out of (linear time), unless you use its "pop_back" method, which is
2094 faster.
2096 ``SetVector`` is an adapter class that defaults to using ``std::vector`` and a
2097 size 16 ``SmallSet`` for the underlying containers, so it is quite expensive.
2098 However, ``"llvm/ADT/SetVector.h"`` also provides a ``SmallSetVector`` class,
2099 which defaults to using a ``SmallVector`` and ``SmallSet`` of a specified size.
2100 If you use this, and if your sets are dynamically smaller than ``N``, you will
2101 save a lot of heap traffic.
2103 .. _dss_uniquevector:
2105 llvm/ADT/UniqueVector.h
2106 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2108 UniqueVector is similar to :ref:`SetVector <dss_setvector>` but it retains a
2109 unique ID for each element inserted into the set.  It internally contains a map
2110 and a vector, and it assigns a unique ID for each value inserted into the set.
2112 UniqueVector is very expensive: its cost is the sum of the cost of maintaining
2113 both the map and vector, it has high complexity, high constant factors, and
2114 produces a lot of malloc traffic.  It should be avoided.
2116 .. _dss_immutableset:
2118 llvm/ADT/ImmutableSet.h
2119 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2121 ImmutableSet is an immutable (functional) set implementation based on an AVL
2122 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
2123 in the creation of a new ImmutableSet object.  If an ImmutableSet already exists
2124 with the given contents, then the existing one is returned; equality is compared
2125 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
2126 operations is logarithmic in the size of the original set.
2128 There is no method for returning an element of the set, you can only check for
2129 membership.
2131 .. _dss_otherset:
2133 Other Set-Like Container Options
2134 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2136 The STL provides several other options, such as std::multiset and the various
2137 "hash_set" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
2138 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
2139 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
2141 std::multiset is useful if you're not interested in elimination of duplicates,
2142 but has all the drawbacks of :ref:`std::set <dss_set>`.  A sorted vector
2143 (where you don't delete duplicate entries) or some other approach is almost
2144 always better.
2146 .. _ds_map:
2148 Map-Like Containers (std::map, DenseMap, etc)
2149 ---------------------------------------------
2151 Map-like containers are useful when you want to associate data to a key.  As
2152 usual, there are a lot of different ways to do this. :)
2154 .. _dss_sortedvectormap:
2156 A sorted 'vector'
2157 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
2159 If your usage pattern follows a strict insert-then-query approach, you can
2160 trivially use the same approach as :ref:`sorted vectors for set-like containers
2161 <dss_sortedvectorset>`.  The only difference is that your query function (which
2162 uses std::lower_bound to get efficient log(n) lookup) should only compare the
2163 key, not both the key and value.  This yields the same advantages as sorted
2164 vectors for sets.
2166 .. _dss_stringmap:
2168 llvm/ADT/StringMap.h
2169 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2171 Strings are commonly used as keys in maps, and they are difficult to support
2172 efficiently: they are variable length, inefficient to hash and compare when
2173 long, expensive to copy, etc.  StringMap is a specialized container designed to
2174 cope with these issues.  It supports mapping an arbitrary range of bytes to an
2175 arbitrary other object.
2177 The StringMap implementation uses a quadratically-probed hash table, where the
2178 buckets store a pointer to the heap allocated entries (and some other stuff).
2179 The entries in the map must be heap allocated because the strings are variable
2180 length.  The string data (key) and the element object (value) are stored in the
2181 same allocation with the string data immediately after the element object.
2182 This container guarantees the "``(char*)(&Value+1)``" points to the key string
2183 for a value.
2185 The StringMap is very fast for several reasons: quadratic probing is very cache
2186 efficient for lookups, the hash value of strings in buckets is not recomputed
2187 when looking up an element, StringMap rarely has to touch the memory for
2188 unrelated objects when looking up a value (even when hash collisions happen),
2189 hash table growth does not recompute the hash values for strings already in the
2190 table, and each pair in the map is store in a single allocation (the string data
2191 is stored in the same allocation as the Value of a pair).
2193 StringMap also provides query methods that take byte ranges, so it only ever
2194 copies a string if a value is inserted into the table.
2196 StringMap iteration order, however, is not guaranteed to be deterministic, so
2197 any uses which require that should instead use a std::map.
2199 .. _dss_indexmap:
2201 llvm/ADT/IndexedMap.h
2202 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2204 IndexedMap is a specialized container for mapping small dense integers (or
2205 values that can be mapped to small dense integers) to some other type.  It is
2206 internally implemented as a vector with a mapping function that maps the keys
2207 to the dense integer range.
2209 This is useful for cases like virtual registers in the LLVM code generator: they
2210 have a dense mapping that is offset by a compile-time constant (the first
2211 virtual register ID).
2213 .. _dss_densemap:
2215 llvm/ADT/DenseMap.h
2216 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2218 DenseMap is a simple quadratically probed hash table.  It excels at supporting
2219 small keys and values: it uses a single allocation to hold all of the pairs
2220 that are currently inserted in the map.  DenseMap is a great way to map
2221 pointers to pointers, or map other small types to each other.
2223 There are several aspects of DenseMap that you should be aware of, however.
2224 The iterators in a DenseMap are invalidated whenever an insertion occurs,
2225 unlike map.  Also, because DenseMap allocates space for a large number of
2226 key/value pairs (it starts with 64 by default), it will waste a lot of space if
2227 your keys or values are large.  Finally, you must implement a partial
2228 specialization of DenseMapInfo for the key that you want, if it isn't already
2229 supported.  This is required to tell DenseMap about two special marker values
2230 (which can never be inserted into the map) that it needs internally.
2232 DenseMap's find_as() method supports lookup operations using an alternate key
2233 type.  This is useful in cases where the normal key type is expensive to
2234 construct, but cheap to compare against.  The DenseMapInfo is responsible for
2235 defining the appropriate comparison and hashing methods for each alternate key
2236 type used.
2238 .. _dss_valuemap:
2240 llvm/IR/ValueMap.h
2241 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2243 ValueMap is a wrapper around a :ref:`DenseMap <dss_densemap>` mapping
2244 ``Value*``\ s (or subclasses) to another type.  When a Value is deleted or
2245 RAUW'ed, ValueMap will update itself so the new version of the key is mapped to
2246 the same value, just as if the key were a WeakVH.  You can configure exactly how
2247 this happens, and what else happens on these two events, by passing a ``Config``
2248 parameter to the ValueMap template.
2250 .. _dss_intervalmap:
2252 llvm/ADT/IntervalMap.h
2253 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2255 IntervalMap is a compact map for small keys and values.  It maps key intervals
2256 instead of single keys, and it will automatically coalesce adjacent intervals.
2257 When the map only contains a few intervals, they are stored in the map object
2258 itself to avoid allocations.
2260 The IntervalMap iterators are quite big, so they should not be passed around as
2261 STL iterators.  The heavyweight iterators allow a smaller data structure.
2263 .. _dss_map:
2265 <map>
2266 ^^^^^
2268 std::map has similar characteristics to :ref:`std::set <dss_set>`: it uses a
2269 single allocation per pair inserted into the map, it offers log(n) lookup with
2270 an extremely large constant factor, imposes a space penalty of 3 pointers per
2271 pair in the map, etc.
2273 std::map is most useful when your keys or values are very large, if you need to
2274 iterate over the collection in sorted order, or if you need stable iterators
2275 into the map (i.e. they don't get invalidated if an insertion or deletion of
2276 another element takes place).
2278 .. _dss_mapvector:
2280 llvm/ADT/MapVector.h
2281 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2283 ``MapVector<KeyT,ValueT>`` provides a subset of the DenseMap interface.  The
2284 main difference is that the iteration order is guaranteed to be the insertion
2285 order, making it an easy (but somewhat expensive) solution for non-deterministic
2286 iteration over maps of pointers.
2288 It is implemented by mapping from key to an index in a vector of key,value
2289 pairs.  This provides fast lookup and iteration, but has two main drawbacks:
2290 the key is stored twice and removing elements takes linear time.  If it is
2291 necessary to remove elements, it's best to remove them in bulk using
2292 ``remove_if()``.
2294 .. _dss_inteqclasses:
2296 llvm/ADT/IntEqClasses.h
2297 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2299 IntEqClasses provides a compact representation of equivalence classes of small
2300 integers.  Initially, each integer in the range 0..n-1 has its own equivalence
2301 class.  Classes can be joined by passing two class representatives to the
2302 join(a, b) method.  Two integers are in the same class when findLeader() returns
2303 the same representative.
2305 Once all equivalence classes are formed, the map can be compressed so each
2306 integer 0..n-1 maps to an equivalence class number in the range 0..m-1, where m
2307 is the total number of equivalence classes.  The map must be uncompressed before
2308 it can be edited again.
2310 .. _dss_immutablemap:
2312 llvm/ADT/ImmutableMap.h
2313 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2315 ImmutableMap is an immutable (functional) map implementation based on an AVL
2316 tree.  Adding or removing elements is done through a Factory object and results
2317 in the creation of a new ImmutableMap object.  If an ImmutableMap already exists
2318 with the given key set, then the existing one is returned; equality is compared
2319 with a FoldingSetNodeID.  The time and space complexity of add or remove
2320 operations is logarithmic in the size of the original map.
2322 .. _dss_othermap:
2324 Other Map-Like Container Options
2325 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2327 The STL provides several other options, such as std::multimap and the various
2328 "hash_map" like containers (whether from C++ TR1 or from the SGI library).  We
2329 never use hash_set and unordered_set because they are generally very expensive
2330 (each insertion requires a malloc) and very non-portable.
2332 std::multimap is useful if you want to map a key to multiple values, but has all
2333 the drawbacks of std::map.  A sorted vector or some other approach is almost
2334 always better.
2336 .. _ds_bit:
2338 Bit storage containers (BitVector, SparseBitVector)
2339 ---------------------------------------------------
2341 Unlike the other containers, there are only two bit storage containers, and
2342 choosing when to use each is relatively straightforward.
2344 One additional option is ``std::vector<bool>``: we discourage its use for two
2345 reasons 1) the implementation in many common compilers (e.g.  commonly
2346 available versions of GCC) is extremely inefficient and 2) the C++ standards
2347 committee is likely to deprecate this container and/or change it significantly
2348 somehow.  In any case, please don't use it.
2350 .. _dss_bitvector:
2352 BitVector
2353 ^^^^^^^^^
2355 The BitVector container provides a dynamic size set of bits for manipulation.
2356 It supports individual bit setting/testing, as well as set operations.  The set
2357 operations take time O(size of bitvector), but operations are performed one word
2358 at a time, instead of one bit at a time.  This makes the BitVector very fast for
2359 set operations compared to other containers.  Use the BitVector when you expect
2360 the number of set bits to be high (i.e. a dense set).
2362 .. _dss_smallbitvector:
2364 SmallBitVector
2365 ^^^^^^^^^^^^^^
2367 The SmallBitVector container provides the same interface as BitVector, but it is
2368 optimized for the case where only a small number of bits, less than 25 or so,
2369 are needed.  It also transparently supports larger bit counts, but slightly less
2370 efficiently than a plain BitVector, so SmallBitVector should only be used when
2371 larger counts are rare.
2373 At this time, SmallBitVector does not support set operations (and, or, xor), and
2374 its operator[] does not provide an assignable lvalue.
2376 .. _dss_sparsebitvector:
2378 SparseBitVector
2379 ^^^^^^^^^^^^^^^
2381 The SparseBitVector container is much like BitVector, with one major difference:
2382 Only the bits that are set, are stored.  This makes the SparseBitVector much
2383 more space efficient than BitVector when the set is sparse, as well as making
2384 set operations O(number of set bits) instead of O(size of universe).  The
2385 downside to the SparseBitVector is that setting and testing of random bits is
2386 O(N), and on large SparseBitVectors, this can be slower than BitVector.  In our
2387 implementation, setting or testing bits in sorted order (either forwards or
2388 reverse) is O(1) worst case.  Testing and setting bits within 128 bits (depends
2389 on size) of the current bit is also O(1).  As a general statement,
2390 testing/setting bits in a SparseBitVector is O(distance away from last set bit).
2392 .. _debugging:
2394 Debugging
2395 =========
2397 A handful of `GDB pretty printers
2398 <https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Pretty-Printing.html>`__ are
2399 provided for some of the core LLVM libraries. To use them, execute the
2400 following (or add it to your ``~/.gdbinit``)::
2402   source /path/to/llvm/src/utils/gdb-scripts/prettyprinters.py
2404 It also might be handy to enable the `print pretty
2405 <http://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/gdb/html_node/gdb_57.html>`__ option to
2406 avoid data structures being printed as a big block of text.
2408 .. _common:
2410 Helpful Hints for Common Operations
2411 ===================================
2413 This section describes how to perform some very simple transformations of LLVM
2414 code.  This is meant to give examples of common idioms used, showing the
2415 practical side of LLVM transformations.
2417 Because this is a "how-to" section, you should also read about the main classes
2418 that you will be working with.  The :ref:`Core LLVM Class Hierarchy Reference
2419 <coreclasses>` contains details and descriptions of the main classes that you
2420 should know about.
2422 .. _inspection:
2424 Basic Inspection and Traversal Routines
2425 ---------------------------------------
2427 The LLVM compiler infrastructure have many different data structures that may be
2428 traversed.  Following the example of the C++ standard template library, the
2429 techniques used to traverse these various data structures are all basically the
2430 same.  For a enumerable sequence of values, the ``XXXbegin()`` function (or
2431 method) returns an iterator to the start of the sequence, the ``XXXend()``
2432 function returns an iterator pointing to one past the last valid element of the
2433 sequence, and there is some ``XXXiterator`` data type that is common between the
2434 two operations.
2436 Because the pattern for iteration is common across many different aspects of the
2437 program representation, the standard template library algorithms may be used on
2438 them, and it is easier to remember how to iterate.  First we show a few common
2439 examples of the data structures that need to be traversed.  Other data
2440 structures are traversed in very similar ways.
2442 .. _iterate_function:
2444 Iterating over the ``BasicBlock`` in a ``Function``
2445 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2447 It's quite common to have a ``Function`` instance that you'd like to transform
2448 in some way; in particular, you'd like to manipulate its ``BasicBlock``\ s.  To
2449 facilitate this, you'll need to iterate over all of the ``BasicBlock``\ s that
2450 constitute the ``Function``.  The following is an example that prints the name
2451 of a ``BasicBlock`` and the number of ``Instruction``\ s it contains:
2453 .. code-block:: c++
2455   Function &Func = ...
2456   for (BasicBlock &BB : Func)
2457     // Print out the name of the basic block if it has one, and then the
2458     // number of instructions that it contains
2459     errs() << "Basic block (name=" << BB.getName() << ") has "
2460                << BB.size() << " instructions.\n";
2462 .. _iterate_basicblock:
2464 Iterating over the ``Instruction`` in a ``BasicBlock``
2465 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2467 Just like when dealing with ``BasicBlock``\ s in ``Function``\ s, it's easy to
2468 iterate over the individual instructions that make up ``BasicBlock``\ s.  Here's
2469 a code snippet that prints out each instruction in a ``BasicBlock``:
2471 .. code-block:: c++
2473   BasicBlock& BB = ...
2474   for (Instruction &I : BB)
2475      // The next statement works since operator<<(ostream&,...)
2476      // is overloaded for Instruction&
2477      errs() << I << "\n";
2480 However, this isn't really the best way to print out the contents of a
2481 ``BasicBlock``!  Since the ostream operators are overloaded for virtually
2482 anything you'll care about, you could have just invoked the print routine on the
2483 basic block itself: ``errs() << BB << "\n";``.
2485 .. _iterate_insiter:
2487 Iterating over the ``Instruction`` in a ``Function``
2488 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2490 If you're finding that you commonly iterate over a ``Function``'s
2491 ``BasicBlock``\ s and then that ``BasicBlock``'s ``Instruction``\ s,
2492 ``InstIterator`` should be used instead.  You'll need to include
2493 ``llvm/IR/InstIterator.h`` (`doxygen
2494 <http://llvm.org/doxygen/InstIterator_8h.html>`__) and then instantiate
2495 ``InstIterator``\ s explicitly in your code.  Here's a small example that shows
2496 how to dump all instructions in a function to the standard error stream:
2498 .. code-block:: c++
2500   #include "llvm/IR/InstIterator.h"
2502   // F is a pointer to a Function instance
2503   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2504     errs() << *I << "\n";
2506 Easy, isn't it?  You can also use ``InstIterator``\ s to fill a work list with
2507 its initial contents.  For example, if you wanted to initialize a work list to
2508 contain all instructions in a ``Function`` F, all you would need to do is
2509 something like:
2511 .. code-block:: c++
2513   std::set<Instruction*> worklist;
2514   // or better yet, SmallPtrSet<Instruction*, 64> worklist;
2516   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2517     worklist.insert(&*I);
2519 The STL set ``worklist`` would now contain all instructions in the ``Function``
2520 pointed to by F.
2522 .. _iterate_convert:
2524 Turning an iterator into a class pointer (and vice-versa)
2525 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2527 Sometimes, it'll be useful to grab a reference (or pointer) to a class instance
2528 when all you've got at hand is an iterator.  Well, extracting a reference or a
2529 pointer from an iterator is very straight-forward.  Assuming that ``i`` is a
2530 ``BasicBlock::iterator`` and ``j`` is a ``BasicBlock::const_iterator``:
2532 .. code-block:: c++
2534   Instruction& inst = *i;   // Grab reference to instruction reference
2535   Instruction* pinst = &*i; // Grab pointer to instruction reference
2536   const Instruction& inst = *j;
2538 However, the iterators you'll be working with in the LLVM framework are special:
2539 they will automatically convert to a ptr-to-instance type whenever they need to.
2540 Instead of dereferencing the iterator and then taking the address of the result,
2541 you can simply assign the iterator to the proper pointer type and you get the
2542 dereference and address-of operation as a result of the assignment (behind the
2543 scenes, this is a result of overloading casting mechanisms).  Thus the second
2544 line of the last example,
2546 .. code-block:: c++
2548   Instruction *pinst = &*i;
2550 is semantically equivalent to
2552 .. code-block:: c++
2554   Instruction *pinst = i;
2556 It's also possible to turn a class pointer into the corresponding iterator, and
2557 this is a constant time operation (very efficient).  The following code snippet
2558 illustrates use of the conversion constructors provided by LLVM iterators.  By
2559 using these, you can explicitly grab the iterator of something without actually
2560 obtaining it via iteration over some structure:
2562 .. code-block:: c++
2564   void printNextInstruction(Instruction* inst) {
2565     BasicBlock::iterator it(inst);
2566     ++it; // After this line, it refers to the instruction after *inst
2567     if (it != inst->getParent()->end()) errs() << *it << "\n";
2568   }
2570 Unfortunately, these implicit conversions come at a cost; they prevent these
2571 iterators from conforming to standard iterator conventions, and thus from being
2572 usable with standard algorithms and containers.  For example, they prevent the
2573 following code, where ``B`` is a ``BasicBlock``, from compiling:
2575 .. code-block:: c++
2577   llvm::SmallVector<llvm::Instruction *, 16>(B->begin(), B->end());
2579 Because of this, these implicit conversions may be removed some day, and
2580 ``operator*`` changed to return a pointer instead of a reference.
2582 .. _iterate_complex:
2584 Finding call sites: a slightly more complex example
2585 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2587 Say that you're writing a FunctionPass and would like to count all the locations
2588 in the entire module (that is, across every ``Function``) where a certain
2589 function (i.e., some ``Function *``) is already in scope.  As you'll learn
2590 later, you may want to use an ``InstVisitor`` to accomplish this in a much more
2591 straight-forward manner, but this example will allow us to explore how you'd do
2592 it if you didn't have ``InstVisitor`` around.  In pseudo-code, this is what we
2593 want to do:
2595 .. code-block:: none
2597   initialize callCounter to zero
2598   for each Function f in the Module
2599     for each BasicBlock b in f
2600       for each Instruction i in b
2601         if (i is a CallInst and calls the given function)
2602           increment callCounter
2604 And the actual code is (remember, because we're writing a ``FunctionPass``, our
2605 ``FunctionPass``-derived class simply has to override the ``runOnFunction``
2606 method):
2608 .. code-block:: c++
2610   Function* targetFunc = ...;
2612   class OurFunctionPass : public FunctionPass {
2613     public:
2614       OurFunctionPass(): callCounter(0) { }
2616       virtual runOnFunction(Function& F) {
2617         for (BasicBlock &B : F) {
2618           for (Instruction &I: B) {
2619             if (auto *CallInst = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
2620               // We know we've encountered a call instruction, so we
2621               // need to determine if it's a call to the
2622               // function pointed to by m_func or not.
2623               if (CallInst->getCalledFunction() == targetFunc)
2624                 ++callCounter;
2625             }
2626           }
2627         }
2628       }
2630     private:
2631       unsigned callCounter;
2632   };
2634 .. _calls_and_invokes:
2636 Treating calls and invokes the same way
2637 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2639 You may have noticed that the previous example was a bit oversimplified in that
2640 it did not deal with call sites generated by 'invoke' instructions.  In this,
2641 and in other situations, you may find that you want to treat ``CallInst``\ s and
2642 ``InvokeInst``\ s the same way, even though their most-specific common base
2643 class is ``Instruction``, which includes lots of less closely-related things.
2644 For these cases, LLVM provides a handy wrapper class called ``CallSite``
2645 (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallSite.html>`__) It is
2646 essentially a wrapper around an ``Instruction`` pointer, with some methods that
2647 provide functionality common to ``CallInst``\ s and ``InvokeInst``\ s.
2649 This class has "value semantics": it should be passed by value, not by reference
2650 and it should not be dynamically allocated or deallocated using ``operator new``
2651 or ``operator delete``.  It is efficiently copyable, assignable and
2652 constructable, with costs equivalents to that of a bare pointer.  If you look at
2653 its definition, it has only a single pointer member.
2655 .. _iterate_chains:
2657 Iterating over def-use & use-def chains
2658 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2660 Frequently, we might have an instance of the ``Value`` class (`doxygen
2661 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`__) and we want to determine
2662 which ``User``\ s use the ``Value``.  The list of all ``User``\ s of a particular
2663 ``Value`` is called a *def-use* chain.  For example, let's say we have a
2664 ``Function*`` named ``F`` to a particular function ``foo``.  Finding all of the
2665 instructions that *use* ``foo`` is as simple as iterating over the *def-use*
2666 chain of ``F``:
2668 .. code-block:: c++
2670   Function *F = ...;
2672   for (User *U : F->users()) {
2673     if (Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(U)) {
2674       errs() << "F is used in instruction:\n";
2675       errs() << *Inst << "\n";
2676     }
2678 Alternatively, it's common to have an instance of the ``User`` Class (`doxygen
2679 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__) and need to know what
2680 ``Value``\ s are used by it.  The list of all ``Value``\ s used by a ``User`` is
2681 known as a *use-def* chain.  Instances of class ``Instruction`` are common
2682 ``User`` s, so we might want to iterate over all of the values that a particular
2683 instruction uses (that is, the operands of the particular ``Instruction``):
2685 .. code-block:: c++
2687   Instruction *pi = ...;
2689   for (Use &U : pi->operands()) {
2690     Value *v = U.get();
2691     // ...
2692   }
2694 Declaring objects as ``const`` is an important tool of enforcing mutation free
2695 algorithms (such as analyses, etc.).  For this purpose above iterators come in
2696 constant flavors as ``Value::const_use_iterator`` and
2697 ``Value::const_op_iterator``.  They automatically arise when calling
2698 ``use/op_begin()`` on ``const Value*``\ s or ``const User*``\ s respectively.
2699 Upon dereferencing, they return ``const Use*``\ s.  Otherwise the above patterns
2700 remain unchanged.
2702 .. _iterate_preds:
2704 Iterating over predecessors & successors of blocks
2705 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2707 Iterating over the predecessors and successors of a block is quite easy with the
2708 routines defined in ``"llvm/IR/CFG.h"``.  Just use code like this to
2709 iterate over all predecessors of BB:
2711 .. code-block:: c++
2713   #include "llvm/IR/CFG.h"
2714   BasicBlock *BB = ...;
2716   for (BasicBlock *Pred : predecessors(BB)) {
2717     // ...
2718   }
2720 Similarly, to iterate over successors use ``successors``.
2722 .. _simplechanges:
2724 Making simple changes
2725 ---------------------
2727 There are some primitive transformation operations present in the LLVM
2728 infrastructure that are worth knowing about.  When performing transformations,
2729 it's fairly common to manipulate the contents of basic blocks.  This section
2730 describes some of the common methods for doing so and gives example code.
2732 .. _schanges_creating:
2734 Creating and inserting new ``Instruction``\ s
2735 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2737 *Instantiating Instructions*
2739 Creation of ``Instruction``\ s is straight-forward: simply call the constructor
2740 for the kind of instruction to instantiate and provide the necessary parameters.
2741 For example, an ``AllocaInst`` only *requires* a (const-ptr-to) ``Type``.  Thus:
2743 .. code-block:: c++
2745   auto *ai = new AllocaInst(Type::Int32Ty);
2747 will create an ``AllocaInst`` instance that represents the allocation of one
2748 integer in the current stack frame, at run time.  Each ``Instruction`` subclass
2749 is likely to have varying default parameters which change the semantics of the
2750 instruction, so refer to the `doxygen documentation for the subclass of
2751 Instruction <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_ that
2752 you're interested in instantiating.
2754 *Naming values*
2756 It is very useful to name the values of instructions when you're able to, as
2757 this facilitates the debugging of your transformations.  If you end up looking
2758 at generated LLVM machine code, you definitely want to have logical names
2759 associated with the results of instructions!  By supplying a value for the
2760 ``Name`` (default) parameter of the ``Instruction`` constructor, you associate a
2761 logical name with the result of the instruction's execution at run time.  For
2762 example, say that I'm writing a transformation that dynamically allocates space
2763 for an integer on the stack, and that integer is going to be used as some kind
2764 of index by some other code.  To accomplish this, I place an ``AllocaInst`` at
2765 the first point in the first ``BasicBlock`` of some ``Function``, and I'm
2766 intending to use it within the same ``Function``.  I might do:
2768 .. code-block:: c++
2770   auto *pa = new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "indexLoc");
2772 where ``indexLoc`` is now the logical name of the instruction's execution value,
2773 which is a pointer to an integer on the run time stack.
2775 *Inserting instructions*
2777 There are essentially three ways to insert an ``Instruction`` into an existing
2778 sequence of instructions that form a ``BasicBlock``:
2780 * Insertion into an explicit instruction list
2782   Given a ``BasicBlock* pb``, an ``Instruction* pi`` within that ``BasicBlock``,
2783   and a newly-created instruction we wish to insert before ``*pi``, we do the
2784   following:
2786   .. code-block:: c++
2788       BasicBlock *pb = ...;
2789       Instruction *pi = ...;
2790       auto *newInst = new Instruction(...);
2792       pb->getInstList().insert(pi, newInst); // Inserts newInst before pi in pb
2794   Appending to the end of a ``BasicBlock`` is so common that the ``Instruction``
2795   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take a
2796   pointer to a ``BasicBlock`` to be appended to.  For example code that looked
2797   like:
2799   .. code-block:: c++
2801     BasicBlock *pb = ...;
2802     auto *newInst = new Instruction(...);
2804     pb->getInstList().push_back(newInst); // Appends newInst to pb
2806   becomes:
2808   .. code-block:: c++
2810     BasicBlock *pb = ...;
2811     auto *newInst = new Instruction(..., pb);
2813   which is much cleaner, especially if you are creating long instruction
2814   streams.
2816 * Insertion into an implicit instruction list
2818   ``Instruction`` instances that are already in ``BasicBlock``\ s are implicitly
2819   associated with an existing instruction list: the instruction list of the
2820   enclosing basic block.  Thus, we could have accomplished the same thing as the
2821   above code without being given a ``BasicBlock`` by doing:
2823   .. code-block:: c++
2825     Instruction *pi = ...;
2826     auto *newInst = new Instruction(...);
2828     pi->getParent()->getInstList().insert(pi, newInst);
2830   In fact, this sequence of steps occurs so frequently that the ``Instruction``
2831   class and ``Instruction``-derived classes provide constructors which take (as
2832   a default parameter) a pointer to an ``Instruction`` which the newly-created
2833   ``Instruction`` should precede.  That is, ``Instruction`` constructors are
2834   capable of inserting the newly-created instance into the ``BasicBlock`` of a
2835   provided instruction, immediately before that instruction.  Using an
2836   ``Instruction`` constructor with a ``insertBefore`` (default) parameter, the
2837   above code becomes:
2839   .. code-block:: c++
2841     Instruction* pi = ...;
2842     auto *newInst = new Instruction(..., pi);
2844   which is much cleaner, especially if you're creating a lot of instructions and
2845   adding them to ``BasicBlock``\ s.
2847 * Insertion using an instance of ``IRBuilder``
2849   Inserting several ``Instruction``\ s can be quite laborious using the previous
2850   methods. The ``IRBuilder`` is a convenience class that can be used to add
2851   several instructions to the end of a ``BasicBlock`` or before a particular
2852   ``Instruction``. It also supports constant folding and renaming named
2853   registers (see ``IRBuilder``'s template arguments).
2855   The example below demonstrates a very simple use of the ``IRBuilder`` where
2856   three instructions are inserted before the instruction ``pi``. The first two
2857   instructions are Call instructions and third instruction multiplies the return
2858   value of the two calls.
2860   .. code-block:: c++
2862     Instruction *pi = ...;
2863     IRBuilder<> Builder(pi);
2864     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2865     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2866     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2868   The example below is similar to the above example except that the created
2869   ``IRBuilder`` inserts instructions at the end of the ``BasicBlock`` ``pb``.
2871   .. code-block:: c++
2873     BasicBlock *pb = ...;
2874     IRBuilder<> Builder(pb);
2875     CallInst* callOne = Builder.CreateCall(...);
2876     CallInst* callTwo = Builder.CreateCall(...);
2877     Value* result = Builder.CreateMul(callOne, callTwo);
2879   See :doc:`tutorial/LangImpl03` for a practical use of the ``IRBuilder``.
2882 .. _schanges_deleting:
2884 Deleting Instructions
2885 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2887 Deleting an instruction from an existing sequence of instructions that form a
2888 BasicBlock_ is very straight-forward: just call the instruction's
2889 ``eraseFromParent()`` method.  For example:
2891 .. code-block:: c++
2893   Instruction *I = .. ;
2894   I->eraseFromParent();
2896 This unlinks the instruction from its containing basic block and deletes it.  If
2897 you'd just like to unlink the instruction from its containing basic block but
2898 not delete it, you can use the ``removeFromParent()`` method.
2900 .. _schanges_replacing:
2902 Replacing an Instruction with another Value
2903 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2905 Replacing individual instructions
2906 """""""""""""""""""""""""""""""""
2908 Including "`llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h
2909 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlockUtils_8h_source.html>`_" permits use of two
2910 very useful replace functions: ``ReplaceInstWithValue`` and
2911 ``ReplaceInstWithInst``.
2913 .. _schanges_deleting_sub:
2915 Deleting Instructions
2916 """""""""""""""""""""
2918 * ``ReplaceInstWithValue``
2920   This function replaces all uses of a given instruction with a value, and then
2921   removes the original instruction.  The following example illustrates the
2922   replacement of the result of a particular ``AllocaInst`` that allocates memory
2923   for a single integer with a null pointer to an integer.
2925   .. code-block:: c++
2927     AllocaInst* instToReplace = ...;
2928     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2930     ReplaceInstWithValue(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2931                          Constant::getNullValue(PointerType::getUnqual(Type::Int32Ty)));
2933 * ``ReplaceInstWithInst``
2935   This function replaces a particular instruction with another instruction,
2936   inserting the new instruction into the basic block at the location where the
2937   old instruction was, and replacing any uses of the old instruction with the
2938   new instruction.  The following example illustrates the replacement of one
2939   ``AllocaInst`` with another.
2941   .. code-block:: c++
2943     AllocaInst* instToReplace = ...;
2944     BasicBlock::iterator ii(instToReplace);
2946     ReplaceInstWithInst(instToReplace->getParent()->getInstList(), ii,
2947                         new AllocaInst(Type::Int32Ty, 0, "ptrToReplacedInt"));
2950 Replacing multiple uses of Users and Values
2951 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
2953 You can use ``Value::replaceAllUsesWith`` and ``User::replaceUsesOfWith`` to
2954 change more than one use at a time.  See the doxygen documentation for the
2955 `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_ and `User Class
2956 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_, respectively, for more
2957 information.
2959 .. _schanges_deletingGV:
2961 Deleting GlobalVariables
2962 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2964 Deleting a global variable from a module is just as easy as deleting an
2965 Instruction.  First, you must have a pointer to the global variable that you
2966 wish to delete.  You use this pointer to erase it from its parent, the module.
2967 For example:
2969 .. code-block:: c++
2971   GlobalVariable *GV = .. ;
2973   GV->eraseFromParent();
2976 .. _threading:
2978 Threads and LLVM
2979 ================
2981 This section describes the interaction of the LLVM APIs with multithreading,
2982 both on the part of client applications, and in the JIT, in the hosted
2983 application.
2985 Note that LLVM's support for multithreading is still relatively young.  Up
2986 through version 2.5, the execution of threaded hosted applications was
2987 supported, but not threaded client access to the APIs.  While this use case is
2988 now supported, clients *must* adhere to the guidelines specified below to ensure
2989 proper operation in multithreaded mode.
2991 Note that, on Unix-like platforms, LLVM requires the presence of GCC's atomic
2992 intrinsics in order to support threaded operation.  If you need a
2993 multhreading-capable LLVM on a platform without a suitably modern system
2994 compiler, consider compiling LLVM and LLVM-GCC in single-threaded mode, and
2995 using the resultant compiler to build a copy of LLVM with multithreading
2996 support.
2998 .. _shutdown:
3000 Ending Execution with ``llvm_shutdown()``
3001 -----------------------------------------
3003 When you are done using the LLVM APIs, you should call ``llvm_shutdown()`` to
3004 deallocate memory used for internal structures.
3006 .. _managedstatic:
3008 Lazy Initialization with ``ManagedStatic``
3009 ------------------------------------------
3011 ``ManagedStatic`` is a utility class in LLVM used to implement static
3012 initialization of static resources, such as the global type tables.  In a
3013 single-threaded environment, it implements a simple lazy initialization scheme.
3014 When LLVM is compiled with support for multi-threading, however, it uses
3015 double-checked locking to implement thread-safe lazy initialization.
3017 .. _llvmcontext:
3019 Achieving Isolation with ``LLVMContext``
3020 ----------------------------------------
3022 ``LLVMContext`` is an opaque class in the LLVM API which clients can use to
3023 operate multiple, isolated instances of LLVM concurrently within the same
3024 address space.  For instance, in a hypothetical compile-server, the compilation
3025 of an individual translation unit is conceptually independent from all the
3026 others, and it would be desirable to be able to compile incoming translation
3027 units concurrently on independent server threads.  Fortunately, ``LLVMContext``
3028 exists to enable just this kind of scenario!
3030 Conceptually, ``LLVMContext`` provides isolation.  Every LLVM entity
3031 (``Module``\ s, ``Value``\ s, ``Type``\ s, ``Constant``\ s, etc.) in LLVM's
3032 in-memory IR belongs to an ``LLVMContext``.  Entities in different contexts
3033 *cannot* interact with each other: ``Module``\ s in different contexts cannot be
3034 linked together, ``Function``\ s cannot be added to ``Module``\ s in different
3035 contexts, etc.  What this means is that is safe to compile on multiple
3036 threads simultaneously, as long as no two threads operate on entities within the
3037 same context.
3039 In practice, very few places in the API require the explicit specification of a
3040 ``LLVMContext``, other than the ``Type`` creation/lookup APIs.  Because every
3041 ``Type`` carries a reference to its owning context, most other entities can
3042 determine what context they belong to by looking at their own ``Type``.  If you
3043 are adding new entities to LLVM IR, please try to maintain this interface
3044 design.
3046 .. _jitthreading:
3048 Threads and the JIT
3049 -------------------
3051 LLVM's "eager" JIT compiler is safe to use in threaded programs.  Multiple
3052 threads can call ``ExecutionEngine::getPointerToFunction()`` or
3053 ``ExecutionEngine::runFunction()`` concurrently, and multiple threads can run
3054 code output by the JIT concurrently.  The user must still ensure that only one
3055 thread accesses IR in a given ``LLVMContext`` while another thread might be
3056 modifying it.  One way to do that is to always hold the JIT lock while accessing
3057 IR outside the JIT (the JIT *modifies* the IR by adding ``CallbackVH``\ s).
3058 Another way is to only call ``getPointerToFunction()`` from the
3059 ``LLVMContext``'s thread.
3061 When the JIT is configured to compile lazily (using
3062 ``ExecutionEngine::DisableLazyCompilation(false)``), there is currently a `race
3063 condition <https://bugs.llvm.org/show_bug.cgi?id=5184>`_ in updating call sites
3064 after a function is lazily-jitted.  It's still possible to use the lazy JIT in a
3065 threaded program if you ensure that only one thread at a time can call any
3066 particular lazy stub and that the JIT lock guards any IR access, but we suggest
3067 using only the eager JIT in threaded programs.
3069 .. _advanced:
3071 Advanced Topics
3072 ===============
3074 This section describes some of the advanced or obscure API's that most clients
3075 do not need to be aware of.  These API's tend manage the inner workings of the
3076 LLVM system, and only need to be accessed in unusual circumstances.
3078 .. _SymbolTable:
3080 The ``ValueSymbolTable`` class
3081 ------------------------------
3083 The ``ValueSymbolTable`` (`doxygen
3084 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ValueSymbolTable.html>`__) class provides
3085 a symbol table that the :ref:`Function <c_Function>` and Module_ classes use for
3086 naming value definitions.  The symbol table can provide a name for any Value_.
3088 Note that the ``SymbolTable`` class should not be directly accessed by most
3089 clients.  It should only be used when iteration over the symbol table names
3090 themselves are required, which is very special purpose.  Note that not all LLVM
3091 Value_\ s have names, and those without names (i.e. they have an empty name) do
3092 not exist in the symbol table.
3094 Symbol tables support iteration over the values in the symbol table with
3095 ``begin/end/iterator`` and supports querying to see if a specific name is in the
3096 symbol table (with ``lookup``).  The ``ValueSymbolTable`` class exposes no
3097 public mutator methods, instead, simply call ``setName`` on a value, which will
3098 autoinsert it into the appropriate symbol table.
3100 .. _UserLayout:
3102 The ``User`` and owned ``Use`` classes' memory layout
3103 -----------------------------------------------------
3105 The ``User`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`__)
3106 class provides a basis for expressing the ownership of ``User`` towards other
3107 `Value instance <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_\ s.  The
3108 ``Use`` (`doxygen <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Use.html>`__) helper
3109 class is employed to do the bookkeeping and to facilitate *O(1)* addition and
3110 removal.
3112 .. _Use2User:
3114 Interaction and relationship between ``User`` and ``Use`` objects
3115 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3117 A subclass of ``User`` can choose between incorporating its ``Use`` objects or
3118 refer to them out-of-line by means of a pointer.  A mixed variant (some ``Use``
3119 s inline others hung off) is impractical and breaks the invariant that the
3120 ``Use`` objects belonging to the same ``User`` form a contiguous array.
3122 We have 2 different layouts in the ``User`` (sub)classes:
3124 * Layout a)
3126   The ``Use`` object(s) are inside (resp. at fixed offset) of the ``User``
3127   object and there are a fixed number of them.
3129 * Layout b)
3131   The ``Use`` object(s) are referenced by a pointer to an array from the
3132   ``User`` object and there may be a variable number of them.
3134 As of v2.4 each layout still possesses a direct pointer to the start of the
3135 array of ``Use``\ s.  Though not mandatory for layout a), we stick to this
3136 redundancy for the sake of simplicity.  The ``User`` object also stores the
3137 number of ``Use`` objects it has. (Theoretically this information can also be
3138 calculated given the scheme presented below.)
3140 Special forms of allocation operators (``operator new``) enforce the following
3141 memory layouts:
3143 * Layout a) is modelled by prepending the ``User`` object by the ``Use[]``
3144   array.
3146   .. code-block:: none
3148     ...---.---.---.---.-------...
3149       | P | P | P | P | User
3150     '''---'---'---'---'-------'''
3152 * Layout b) is modelled by pointing at the ``Use[]`` array.
3154   .. code-block:: none
3156     .-------...
3157     | User
3158     '-------'''
3159         |
3160         v
3161         .---.---.---.---...
3162         | P | P | P | P |
3163         '---'---'---'---'''
3165 *(In the above figures* '``P``' *stands for the* ``Use**`` *that is stored in
3166 each* ``Use`` *object in the member* ``Use::Prev`` *)*
3168 .. _Waymarking:
3170 The waymarking algorithm
3171 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3173 Since the ``Use`` objects are deprived of the direct (back)pointer to their
3174 ``User`` objects, there must be a fast and exact method to recover it.  This is
3175 accomplished by the following scheme:
3177 A bit-encoding in the 2 LSBits (least significant bits) of the ``Use::Prev``
3178 allows to find the start of the ``User`` object:
3180 * ``00`` --- binary digit 0
3182 * ``01`` --- binary digit 1
3184 * ``10`` --- stop and calculate (``s``)
3186 * ``11`` --- full stop (``S``)
3188 Given a ``Use*``, all we have to do is to walk till we get a stop and we either
3189 have a ``User`` immediately behind or we have to walk to the next stop picking
3190 up digits and calculating the offset:
3192 .. code-block:: none
3194   .---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.---.----------------
3195   | 1 | s | 1 | 0 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | 0 | s | 1 | 1 | s | 1 | S | User (or User*)
3196   '---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'---'----------------
3197       |+15                |+10            |+6         |+3     |+1
3198       |                   |               |           |       | __>
3199       |                   |               |           | __________>
3200       |                   |               | ______________________>
3201       |                   | ______________________________________>
3202       | __________________________________________________________>
3204 Only the significant number of bits need to be stored between the stops, so that
3205 the *worst case is 20 memory accesses* when there are 1000 ``Use`` objects
3206 associated with a ``User``.
3208 .. _ReferenceImpl:
3210 Reference implementation
3211 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3213 The following literate Haskell fragment demonstrates the concept:
3215 .. code-block:: haskell
3217   > import Test.QuickCheck
3218   >
3219   > digits :: Int -> [Char] -> [Char]
3220   > digits 0 acc = '0' : acc
3221   > digits 1 acc = '1' : acc
3222   > digits n acc = digits (n `div` 2) $ digits (n `mod` 2) acc
3223   >
3224   > dist :: Int -> [Char] -> [Char]
3225   > dist 0 [] = ['S']
3226   > dist 0 acc = acc
3227   > dist 1 acc = let r = dist 0 acc in 's' : digits (length r) r
3228   > dist n acc = dist (n - 1) $ dist 1 acc
3229   >
3230   > takeLast n ss = reverse $ take n $ reverse ss
3231   >
3232   > test = takeLast 40 $ dist 20 []
3233   >
3235 Printing <test> gives: ``"1s100000s11010s10100s1111s1010s110s11s1S"``
3237 The reverse algorithm computes the length of the string just by examining a
3238 certain prefix:
3240 .. code-block:: haskell
3242   > pref :: [Char] -> Int
3243   > pref "S" = 1
3244   > pref ('s':'1':rest) = decode 2 1 rest
3245   > pref (_:rest) = 1 + pref rest
3246   >
3247   > decode walk acc ('0':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2) rest
3248   > decode walk acc ('1':rest) = decode (walk + 1) (acc * 2 + 1) rest
3249   > decode walk acc _ = walk + acc
3250   >
3252 Now, as expected, printing <pref test> gives ``40``.
3254 We can *quickCheck* this with following property:
3256 .. code-block:: haskell
3258   > testcase = dist 2000 []
3259   > testcaseLength = length testcase
3260   >
3261   > identityProp n = n > 0 && n <= testcaseLength ==> length arr == pref arr
3262   >     where arr = takeLast n testcase
3263   >
3265 As expected <quickCheck identityProp> gives:
3269   *Main> quickCheck identityProp
3270   OK, passed 100 tests.
3272 Let's be a bit more exhaustive:
3274 .. code-block:: haskell
3276   >
3277   > deepCheck p = check (defaultConfig { configMaxTest = 500 }) p
3278   >
3280 And here is the result of <deepCheck identityProp>:
3284   *Main> deepCheck identityProp
3285   OK, passed 500 tests.
3287 .. _Tagging:
3289 Tagging considerations
3290 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3292 To maintain the invariant that the 2 LSBits of each ``Use**`` in ``Use`` never
3293 change after being set up, setters of ``Use::Prev`` must re-tag the new
3294 ``Use**`` on every modification.  Accordingly getters must strip the tag bits.
3296 For layout b) instead of the ``User`` we find a pointer (``User*`` with LSBit
3297 set).  Following this pointer brings us to the ``User``.  A portable trick
3298 ensures that the first bytes of ``User`` (if interpreted as a pointer) never has
3299 the LSBit set. (Portability is relying on the fact that all known compilers
3300 place the ``vptr`` in the first word of the instances.)
3302 .. _polymorphism:
3304 Designing Type Hiercharies and Polymorphic Interfaces
3305 -----------------------------------------------------
3307 There are two different design patterns that tend to result in the use of
3308 virtual dispatch for methods in a type hierarchy in C++ programs. The first is
3309 a genuine type hierarchy where different types in the hierarchy model
3310 a specific subset of the functionality and semantics, and these types nest
3311 strictly within each other. Good examples of this can be seen in the ``Value``
3312 or ``Type`` type hierarchies.
3314 A second is the desire to dispatch dynamically across a collection of
3315 polymorphic interface implementations. This latter use case can be modeled with
3316 virtual dispatch and inheritance by defining an abstract interface base class
3317 which all implementations derive from and override. However, this
3318 implementation strategy forces an **"is-a"** relationship to exist that is not
3319 actually meaningful. There is often not some nested hierarchy of useful
3320 generalizations which code might interact with and move up and down. Instead,
3321 there is a singular interface which is dispatched across a range of
3322 implementations.
3324 The preferred implementation strategy for the second use case is that of
3325 generic programming (sometimes called "compile-time duck typing" or "static
3326 polymorphism"). For example, a template over some type parameter ``T`` can be
3327 instantiated across any particular implementation that conforms to the
3328 interface or *concept*. A good example here is the highly generic properties of
3329 any type which models a node in a directed graph. LLVM models these primarily
3330 through templates and generic programming. Such templates include the
3331 ``LoopInfoBase`` and ``DominatorTreeBase``. When this type of polymorphism
3332 truly needs **dynamic** dispatch you can generalize it using a technique
3333 called *concept-based polymorphism*. This pattern emulates the interfaces and
3334 behaviors of templates using a very limited form of virtual dispatch for type
3335 erasure inside its implementation. You can find examples of this technique in
3336 the ``PassManager.h`` system, and there is a more detailed introduction to it
3337 by Sean Parent in several of his talks and papers:
3339 #. `Inheritance Is The Base Class of Evil
3340    <http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/2013/Inheritance-Is-The-Base-Class-of-Evil>`_
3341    - The GoingNative 2013 talk describing this technique, and probably the best
3342    place to start.
3343 #. `Value Semantics and Concepts-based Polymorphism
3344    <http://www.youtube.com/watch?v=_BpMYeUFXv8>`_ - The C++Now! 2012 talk
3345    describing this technique in more detail.
3346 #. `Sean Parent's Papers and Presentations
3347    <http://github.com/sean-parent/sean-parent.github.com/wiki/Papers-and-Presentations>`_
3348    - A Github project full of links to slides, video, and sometimes code.
3350 When deciding between creating a type hierarchy (with either tagged or virtual
3351 dispatch) and using templates or concepts-based polymorphism, consider whether
3352 there is some refinement of an abstract base class which is a semantically
3353 meaningful type on an interface boundary. If anything more refined than the
3354 root abstract interface is meaningless to talk about as a partial extension of
3355 the semantic model, then your use case likely fits better with polymorphism and
3356 you should avoid using virtual dispatch. However, there may be some exigent
3357 circumstances that require one technique or the other to be used.
3359 If you do need to introduce a type hierarchy, we prefer to use explicitly
3360 closed type hierarchies with manual tagged dispatch and/or RTTI rather than the
3361 open inheritance model and virtual dispatch that is more common in C++ code.
3362 This is because LLVM rarely encourages library consumers to extend its core
3363 types, and leverages the closed and tag-dispatched nature of its hierarchies to
3364 generate significantly more efficient code. We have also found that a large
3365 amount of our usage of type hierarchies fits better with tag-based pattern
3366 matching rather than dynamic dispatch across a common interface. Within LLVM we
3367 have built custom helpers to facilitate this design. See this document's
3368 section on :ref:`isa and dyn_cast <isa>` and our :doc:`detailed document
3369 <HowToSetUpLLVMStyleRTTI>` which describes how you can implement this
3370 pattern for use with the LLVM helpers.
3372 .. _abi_breaking_checks:
3374 ABI Breaking Checks
3375 -------------------
3377 Checks and asserts that alter the LLVM C++ ABI are predicated on the
3378 preprocessor symbol `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` -- LLVM
3379 libraries built with `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` are not ABI
3380 compatible LLVM libraries built without it defined.  By default,
3381 turning on assertions also turns on `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS`
3382 so a default +Asserts build is not ABI compatible with a
3383 default -Asserts build.  Clients that want ABI compatibility
3384 between +Asserts and -Asserts builds should use the CMake or autoconf
3385 build systems to set `LLVM_ENABLE_ABI_BREAKING_CHECKS` independently
3386 of `LLVM_ENABLE_ASSERTIONS`.
3388 .. _coreclasses:
3390 The Core LLVM Class Hierarchy Reference
3391 =======================================
3393 ``#include "llvm/IR/Type.h"``
3395 header source: `Type.h <http://llvm.org/doxygen/Type_8h_source.html>`_
3397 doxygen info: `Type Clases <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Type.html>`_
3399 The Core LLVM classes are the primary means of representing the program being
3400 inspected or transformed.  The core LLVM classes are defined in header files in
3401 the ``include/llvm/IR`` directory, and implemented in the ``lib/IR``
3402 directory. It's worth noting that, for historical reasons, this library is
3403 called ``libLLVMCore.so``, not ``libLLVMIR.so`` as you might expect.
3405 .. _Type:
3407 The Type class and Derived Types
3408 --------------------------------
3410 ``Type`` is a superclass of all type classes.  Every ``Value`` has a ``Type``.
3411 ``Type`` cannot be instantiated directly but only through its subclasses.
3412 Certain primitive types (``VoidType``, ``LabelType``, ``FloatType`` and
3413 ``DoubleType``) have hidden subclasses.  They are hidden because they offer no
3414 useful functionality beyond what the ``Type`` class offers except to distinguish
3415 themselves from other subclasses of ``Type``.
3417 All other types are subclasses of ``DerivedType``.  Types can be named, but this
3418 is not a requirement.  There exists exactly one instance of a given shape at any
3419 one time.  This allows type equality to be performed with address equality of
3420 the Type Instance.  That is, given two ``Type*`` values, the types are identical
3421 if the pointers are identical.
3423 .. _m_Type:
3425 Important Public Methods
3426 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3428 * ``bool isIntegerTy() const``: Returns true for any integer type.
3430 * ``bool isFloatingPointTy()``: Return true if this is one of the five
3431   floating point types.
3433 * ``bool isSized()``: Return true if the type has known size.  Things
3434   that don't have a size are abstract types, labels and void.
3436 .. _derivedtypes:
3438 Important Derived Types
3439 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3441 ``IntegerType``
3442   Subclass of DerivedType that represents integer types of any bit width.  Any
3443   bit width between ``IntegerType::MIN_INT_BITS`` (1) and
3444   ``IntegerType::MAX_INT_BITS`` (~8 million) can be represented.
3446   * ``static const IntegerType* get(unsigned NumBits)``: get an integer
3447     type of a specific bit width.
3449   * ``unsigned getBitWidth() const``: Get the bit width of an integer type.
3451 ``SequentialType``
3452   This is subclassed by ArrayType and VectorType.
3454   * ``const Type * getElementType() const``: Returns the type of each
3455     of the elements in the sequential type.
3457   * ``uint64_t getNumElements() const``: Returns the number of elements
3458     in the sequential type.
3460 ``ArrayType``
3461   This is a subclass of SequentialType and defines the interface for array
3462   types.
3464 ``PointerType``
3465   Subclass of Type for pointer types.
3467 ``VectorType``
3468   Subclass of SequentialType for vector types.  A vector type is similar to an
3469   ArrayType but is distinguished because it is a first class type whereas
3470   ArrayType is not.  Vector types are used for vector operations and are usually
3471   small vectors of an integer or floating point type.
3473 ``StructType``
3474   Subclass of DerivedTypes for struct types.
3476 .. _FunctionType:
3478 ``FunctionType``
3479   Subclass of DerivedTypes for function types.
3481   * ``bool isVarArg() const``: Returns true if it's a vararg function.
3483   * ``const Type * getReturnType() const``: Returns the return type of the
3484     function.
3486   * ``const Type * getParamType (unsigned i)``: Returns the type of the ith
3487     parameter.
3489   * ``const unsigned getNumParams() const``: Returns the number of formal
3490     parameters.
3492 .. _Module:
3494 The ``Module`` class
3495 --------------------
3497 ``#include "llvm/IR/Module.h"``
3499 header source: `Module.h <http://llvm.org/doxygen/Module_8h_source.html>`_
3501 doxygen info: `Module Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Module.html>`_
3503 The ``Module`` class represents the top level structure present in LLVM
3504 programs.  An LLVM module is effectively either a translation unit of the
3505 original program or a combination of several translation units merged by the
3506 linker.  The ``Module`` class keeps track of a list of :ref:`Function
3507 <c_Function>`\ s, a list of GlobalVariable_\ s, and a SymbolTable_.
3508 Additionally, it contains a few helpful member functions that try to make common
3509 operations easy.
3511 .. _m_Module:
3513 Important Public Members of the ``Module`` class
3514 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3516 * ``Module::Module(std::string name = "")``
3518   Constructing a Module_ is easy.  You can optionally provide a name for it
3519   (probably based on the name of the translation unit).
3521 * | ``Module::iterator`` - Typedef for function list iterator
3522   | ``Module::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3523   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3525   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3526   ``Module`` object's :ref:`Function <c_Function>` list.
3528 * ``Module::FunctionListType &getFunctionList()``
3530   Returns the list of :ref:`Function <c_Function>`\ s.  This is necessary to use
3531   when you need to update the list or perform a complex action that doesn't have
3532   a forwarding method.
3534 ----------------
3536 * | ``Module::global_iterator`` - Typedef for global variable list iterator
3537   | ``Module::const_global_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3538   | ``global_begin()``, ``global_end()``, ``global_size()``, ``global_empty()``
3540   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3541   ``Module`` object's GlobalVariable_ list.
3543 * ``Module::GlobalListType &getGlobalList()``
3545   Returns the list of GlobalVariable_\ s.  This is necessary to use when you
3546   need to update the list or perform a complex action that doesn't have a
3547   forwarding method.
3549 ----------------
3551 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
3553   Return a reference to the SymbolTable_ for this ``Module``.
3555 ----------------
3557 * ``Function *getFunction(StringRef Name) const``
3559   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If it does not
3560   exist, return ``null``.
3562 * ``FunctionCallee getOrInsertFunction(const std::string &Name,
3563   const FunctionType *T)``
3565   Look up the specified function in the ``Module`` SymbolTable_.  If
3566   it does not exist, add an external declaration for the function and
3567   return it. Note that the function signature already present may not
3568   match the requested signature. Thus, in order to enable the common
3569   usage of passing the result directly to EmitCall, the return type is
3570   a struct of ``{FunctionType *T, Constant *FunctionPtr}``, rather
3571   than simply the ``Function*`` with potentially an unexpected
3572   signature.
3574 * ``std::string getTypeName(const Type *Ty)``
3576   If there is at least one entry in the SymbolTable_ for the specified Type_,
3577   return it.  Otherwise return the empty string.
3579 * ``bool addTypeName(const std::string &Name, const Type *Ty)``
3581   Insert an entry in the SymbolTable_ mapping ``Name`` to ``Ty``.  If there is
3582   already an entry for this name, true is returned and the SymbolTable_ is not
3583   modified.
3585 .. _Value:
3587 The ``Value`` class
3588 -------------------
3590 ``#include "llvm/IR/Value.h"``
3592 header source: `Value.h <http://llvm.org/doxygen/Value_8h_source.html>`_
3594 doxygen info: `Value Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Value.html>`_
3596 The ``Value`` class is the most important class in the LLVM Source base.  It
3597 represents a typed value that may be used (among other things) as an operand to
3598 an instruction.  There are many different types of ``Value``\ s, such as
3599 Constant_\ s, Argument_\ s.  Even Instruction_\ s and :ref:`Function
3600 <c_Function>`\ s are ``Value``\ s.
3602 A particular ``Value`` may be used many times in the LLVM representation for a
3603 program.  For example, an incoming argument to a function (represented with an
3604 instance of the Argument_ class) is "used" by every instruction in the function
3605 that references the argument.  To keep track of this relationship, the ``Value``
3606 class keeps a list of all of the ``User``\ s that is using it (the User_ class
3607 is a base class for all nodes in the LLVM graph that can refer to ``Value``\ s).
3608 This use list is how LLVM represents def-use information in the program, and is
3609 accessible through the ``use_*`` methods, shown below.
3611 Because LLVM is a typed representation, every LLVM ``Value`` is typed, and this
3612 Type_ is available through the ``getType()`` method.  In addition, all LLVM
3613 values can be named.  The "name" of the ``Value`` is a symbolic string printed
3614 in the LLVM code:
3616 .. code-block:: llvm
3618   %foo = add i32 1, 2
3620 .. _nameWarning:
3622 The name of this instruction is "foo". **NOTE** that the name of any value may
3623 be missing (an empty string), so names should **ONLY** be used for debugging
3624 (making the source code easier to read, debugging printouts), they should not be
3625 used to keep track of values or map between them.  For this purpose, use a
3626 ``std::map`` of pointers to the ``Value`` itself instead.
3628 One important aspect of LLVM is that there is no distinction between an SSA
3629 variable and the operation that produces it.  Because of this, any reference to
3630 the value produced by an instruction (or the value available as an incoming
3631 argument, for example) is represented as a direct pointer to the instance of the
3632 class that represents this value.  Although this may take some getting used to,
3633 it simplifies the representation and makes it easier to manipulate.
3635 .. _m_Value:
3637 Important Public Members of the ``Value`` class
3638 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3640 * | ``Value::use_iterator`` - Typedef for iterator over the use-list
3641   | ``Value::const_use_iterator`` - Typedef for const_iterator over the
3642     use-list
3643   | ``unsigned use_size()`` - Returns the number of users of the value.
3644   | ``bool use_empty()`` - Returns true if there are no users.
3645   | ``use_iterator use_begin()`` - Get an iterator to the start of the
3646     use-list.
3647   | ``use_iterator use_end()`` - Get an iterator to the end of the use-list.
3648   | ``User *use_back()`` - Returns the last element in the list.
3650   These methods are the interface to access the def-use information in LLVM.
3651   As with all other iterators in LLVM, the naming conventions follow the
3652   conventions defined by the STL_.
3654 * ``Type *getType() const``
3655   This method returns the Type of the Value.
3657 * | ``bool hasName() const``
3658   | ``std::string getName() const``
3659   | ``void setName(const std::string &Name)``
3661   This family of methods is used to access and assign a name to a ``Value``, be
3662   aware of the :ref:`precaution above <nameWarning>`.
3664 * ``void replaceAllUsesWith(Value *V)``
3666   This method traverses the use list of a ``Value`` changing all User_\ s of the
3667   current value to refer to "``V``" instead.  For example, if you detect that an
3668   instruction always produces a constant value (for example through constant
3669   folding), you can replace all uses of the instruction with the constant like
3670   this:
3672   .. code-block:: c++
3674     Inst->replaceAllUsesWith(ConstVal);
3676 .. _User:
3678 The ``User`` class
3679 ------------------
3681 ``#include "llvm/IR/User.h"``
3683 header source: `User.h <http://llvm.org/doxygen/User_8h_source.html>`_
3685 doxygen info: `User Class <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1User.html>`_
3687 Superclass: Value_
3689 The ``User`` class is the common base class of all LLVM nodes that may refer to
3690 ``Value``\ s.  It exposes a list of "Operands" that are all of the ``Value``\ s
3691 that the User is referring to.  The ``User`` class itself is a subclass of
3692 ``Value``.
3694 The operands of a ``User`` point directly to the LLVM ``Value`` that it refers
3695 to.  Because LLVM uses Static Single Assignment (SSA) form, there can only be
3696 one definition referred to, allowing this direct connection.  This connection
3697 provides the use-def information in LLVM.
3699 .. _m_User:
3701 Important Public Members of the ``User`` class
3702 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3704 The ``User`` class exposes the operand list in two ways: through an index access
3705 interface and through an iterator based interface.
3707 * | ``Value *getOperand(unsigned i)``
3708   | ``unsigned getNumOperands()``
3710   These two methods expose the operands of the ``User`` in a convenient form for
3711   direct access.
3713 * | ``User::op_iterator`` - Typedef for iterator over the operand list
3714   | ``op_iterator op_begin()`` - Get an iterator to the start of the operand
3715     list.
3716   | ``op_iterator op_end()`` - Get an iterator to the end of the operand list.
3718   Together, these methods make up the iterator based interface to the operands
3719   of a ``User``.
3722 .. _Instruction:
3724 The ``Instruction`` class
3725 -------------------------
3727 ``#include "llvm/IR/Instruction.h"``
3729 header source: `Instruction.h
3730 <http://llvm.org/doxygen/Instruction_8h_source.html>`_
3732 doxygen info: `Instruction Class
3733 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_
3735 Superclasses: User_, Value_
3737 The ``Instruction`` class is the common base class for all LLVM instructions.
3738 It provides only a few methods, but is a very commonly used class.  The primary
3739 data tracked by the ``Instruction`` class itself is the opcode (instruction
3740 type) and the parent BasicBlock_ the ``Instruction`` is embedded into.  To
3741 represent a specific type of instruction, one of many subclasses of
3742 ``Instruction`` are used.
3744 Because the ``Instruction`` class subclasses the User_ class, its operands can
3745 be accessed in the same way as for other ``User``\ s (with the
3746 ``getOperand()``/``getNumOperands()`` and ``op_begin()``/``op_end()`` methods).
3747 An important file for the ``Instruction`` class is the ``llvm/Instruction.def``
3748 file.  This file contains some meta-data about the various different types of
3749 instructions in LLVM.  It describes the enum values that are used as opcodes
3750 (for example ``Instruction::Add`` and ``Instruction::ICmp``), as well as the
3751 concrete sub-classes of ``Instruction`` that implement the instruction (for
3752 example BinaryOperator_ and CmpInst_).  Unfortunately, the use of macros in this
3753 file confuses doxygen, so these enum values don't show up correctly in the
3754 `doxygen output <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Instruction.html>`_.
3756 .. _s_Instruction:
3758 Important Subclasses of the ``Instruction`` class
3759 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3761 .. _BinaryOperator:
3763 * ``BinaryOperator``
3765   This subclasses represents all two operand instructions whose operands must be
3766   the same type, except for the comparison instructions.
3768 .. _CastInst:
3770 * ``CastInst``
3771   This subclass is the parent of the 12 casting instructions.  It provides
3772   common operations on cast instructions.
3774 .. _CmpInst:
3776 * ``CmpInst``
3778   This subclass represents the two comparison instructions,
3779   `ICmpInst <LangRef.html#i_icmp>`_ (integer opreands), and
3780   `FCmpInst <LangRef.html#i_fcmp>`_ (floating point operands).
3782 .. _m_Instruction:
3784 Important Public Members of the ``Instruction`` class
3785 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3787 * ``BasicBlock *getParent()``
3789   Returns the BasicBlock_ that this
3790   ``Instruction`` is embedded into.
3792 * ``bool mayWriteToMemory()``
3794   Returns true if the instruction writes to memory, i.e. it is a ``call``,
3795   ``free``, ``invoke``, or ``store``.
3797 * ``unsigned getOpcode()``
3799   Returns the opcode for the ``Instruction``.
3801 * ``Instruction *clone() const``
3803   Returns another instance of the specified instruction, identical in all ways
3804   to the original except that the instruction has no parent (i.e. it's not
3805   embedded into a BasicBlock_), and it has no name.
3807 .. _Constant:
3809 The ``Constant`` class and subclasses
3810 -------------------------------------
3812 Constant represents a base class for different types of constants.  It is
3813 subclassed by ConstantInt, ConstantArray, etc. for representing the various
3814 types of Constants.  GlobalValue_ is also a subclass, which represents the
3815 address of a global variable or function.
3817 .. _s_Constant:
3819 Important Subclasses of Constant
3820 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3822 * ConstantInt : This subclass of Constant represents an integer constant of
3823   any width.
3825   * ``const APInt& getValue() const``: Returns the underlying
3826     value of this constant, an APInt value.
3828   * ``int64_t getSExtValue() const``: Converts the underlying APInt value to an
3829     int64_t via sign extension.  If the value (not the bit width) of the APInt
3830     is too large to fit in an int64_t, an assertion will result.  For this
3831     reason, use of this method is discouraged.
3833   * ``uint64_t getZExtValue() const``: Converts the underlying APInt value
3834     to a uint64_t via zero extension.  IF the value (not the bit width) of the
3835     APInt is too large to fit in a uint64_t, an assertion will result.  For this
3836     reason, use of this method is discouraged.
3838   * ``static ConstantInt* get(const APInt& Val)``: Returns the ConstantInt
3839     object that represents the value provided by ``Val``.  The type is implied
3840     as the IntegerType that corresponds to the bit width of ``Val``.
3842   * ``static ConstantInt* get(const Type *Ty, uint64_t Val)``: Returns the
3843     ConstantInt object that represents the value provided by ``Val`` for integer
3844     type ``Ty``.
3846 * ConstantFP : This class represents a floating point constant.
3848   * ``double getValue() const``: Returns the underlying value of this constant.
3850 * ConstantArray : This represents a constant array.
3852   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3853     component constants that makeup this array.
3855 * ConstantStruct : This represents a constant struct.
3857   * ``const std::vector<Use> &getValues() const``: Returns a vector of
3858     component constants that makeup this array.
3860 * GlobalValue : This represents either a global variable or a function.  In
3861   either case, the value is a constant fixed address (after linking).
3863 .. _GlobalValue:
3865 The ``GlobalValue`` class
3866 -------------------------
3868 ``#include "llvm/IR/GlobalValue.h"``
3870 header source: `GlobalValue.h
3871 <http://llvm.org/doxygen/GlobalValue_8h_source.html>`_
3873 doxygen info: `GlobalValue Class
3874 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalValue.html>`_
3876 Superclasses: Constant_, User_, Value_
3878 Global values ( GlobalVariable_\ s or :ref:`Function <c_Function>`\ s) are the
3879 only LLVM values that are visible in the bodies of all :ref:`Function
3880 <c_Function>`\ s.  Because they are visible at global scope, they are also
3881 subject to linking with other globals defined in different translation units.
3882 To control the linking process, ``GlobalValue``\ s know their linkage rules.
3883 Specifically, ``GlobalValue``\ s know whether they have internal or external
3884 linkage, as defined by the ``LinkageTypes`` enumeration.
3886 If a ``GlobalValue`` has internal linkage (equivalent to being ``static`` in C),
3887 it is not visible to code outside the current translation unit, and does not
3888 participate in linking.  If it has external linkage, it is visible to external
3889 code, and does participate in linking.  In addition to linkage information,
3890 ``GlobalValue``\ s keep track of which Module_ they are currently part of.
3892 Because ``GlobalValue``\ s are memory objects, they are always referred to by
3893 their **address**.  As such, the Type_ of a global is always a pointer to its
3894 contents.  It is important to remember this when using the ``GetElementPtrInst``
3895 instruction because this pointer must be dereferenced first.  For example, if
3896 you have a ``GlobalVariable`` (a subclass of ``GlobalValue)`` that is an array
3897 of 24 ints, type ``[24 x i32]``, then the ``GlobalVariable`` is a pointer to
3898 that array.  Although the address of the first element of this array and the
3899 value of the ``GlobalVariable`` are the same, they have different types.  The
3900 ``GlobalVariable``'s type is ``[24 x i32]``.  The first element's type is
3901 ``i32.`` Because of this, accessing a global value requires you to dereference
3902 the pointer with ``GetElementPtrInst`` first, then its elements can be accessed.
3903 This is explained in the `LLVM Language Reference Manual
3904 <LangRef.html#globalvars>`_.
3906 .. _m_GlobalValue:
3908 Important Public Members of the ``GlobalValue`` class
3909 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3911 * | ``bool hasInternalLinkage() const``
3912   | ``bool hasExternalLinkage() const``
3913   | ``void setInternalLinkage(bool HasInternalLinkage)``
3915   These methods manipulate the linkage characteristics of the ``GlobalValue``.
3917 * ``Module *getParent()``
3919   This returns the Module_ that the
3920   GlobalValue is currently embedded into.
3922 .. _c_Function:
3924 The ``Function`` class
3925 ----------------------
3927 ``#include "llvm/IR/Function.h"``
3929 header source: `Function.h <http://llvm.org/doxygen/Function_8h_source.html>`_
3931 doxygen info: `Function Class
3932 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_
3934 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
3936 The ``Function`` class represents a single procedure in LLVM.  It is actually
3937 one of the more complex classes in the LLVM hierarchy because it must keep track
3938 of a large amount of data.  The ``Function`` class keeps track of a list of
3939 BasicBlock_\ s, a list of formal Argument_\ s, and a SymbolTable_.
3941 The list of BasicBlock_\ s is the most commonly used part of ``Function``
3942 objects.  The list imposes an implicit ordering of the blocks in the function,
3943 which indicate how the code will be laid out by the backend.  Additionally, the
3944 first BasicBlock_ is the implicit entry node for the ``Function``.  It is not
3945 legal in LLVM to explicitly branch to this initial block.  There are no implicit
3946 exit nodes, and in fact there may be multiple exit nodes from a single
3947 ``Function``.  If the BasicBlock_ list is empty, this indicates that the
3948 ``Function`` is actually a function declaration: the actual body of the function
3949 hasn't been linked in yet.
3951 In addition to a list of BasicBlock_\ s, the ``Function`` class also keeps track
3952 of the list of formal Argument_\ s that the function receives.  This container
3953 manages the lifetime of the Argument_ nodes, just like the BasicBlock_ list does
3954 for the BasicBlock_\ s.
3956 The SymbolTable_ is a very rarely used LLVM feature that is only used when you
3957 have to look up a value by name.  Aside from that, the SymbolTable_ is used
3958 internally to make sure that there are not conflicts between the names of
3959 Instruction_\ s, BasicBlock_\ s, or Argument_\ s in the function body.
3961 Note that ``Function`` is a GlobalValue_ and therefore also a Constant_.  The
3962 value of the function is its address (after linking) which is guaranteed to be
3963 constant.
3965 .. _m_Function:
3967 Important Public Members of the ``Function``
3968 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
3970 * ``Function(const FunctionType *Ty, LinkageTypes Linkage,
3971   const std::string &N = "", Module* Parent = 0)``
3973   Constructor used when you need to create new ``Function``\ s to add the
3974   program.  The constructor must specify the type of the function to create and
3975   what type of linkage the function should have.  The FunctionType_ argument
3976   specifies the formal arguments and return value for the function.  The same
3977   FunctionType_ value can be used to create multiple functions.  The ``Parent``
3978   argument specifies the Module in which the function is defined.  If this
3979   argument is provided, the function will automatically be inserted into that
3980   module's list of functions.
3982 * ``bool isDeclaration()``
3984   Return whether or not the ``Function`` has a body defined.  If the function is
3985   "external", it does not have a body, and thus must be resolved by linking with
3986   a function defined in a different translation unit.
3988 * | ``Function::iterator`` - Typedef for basic block list iterator
3989   | ``Function::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
3990   | ``begin()``, ``end()``, ``size()``, ``empty()``
3992   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
3993   ``Function`` object's BasicBlock_ list.
3995 * ``Function::BasicBlockListType &getBasicBlockList()``
3997   Returns the list of BasicBlock_\ s.  This is necessary to use when you need to
3998   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
3999   method.
4001 * | ``Function::arg_iterator`` - Typedef for the argument list iterator
4002   | ``Function::const_arg_iterator`` - Typedef for const_iterator.
4003   | ``arg_begin()``, ``arg_end()``, ``arg_size()``, ``arg_empty()``
4005   These are forwarding methods that make it easy to access the contents of a
4006   ``Function`` object's Argument_ list.
4008 * ``Function::ArgumentListType &getArgumentList()``
4010   Returns the list of Argument_.  This is necessary to use when you need to
4011   update the list or perform a complex action that doesn't have a forwarding
4012   method.
4014 * ``BasicBlock &getEntryBlock()``
4016   Returns the entry ``BasicBlock`` for the function.  Because the entry block
4017   for the function is always the first block, this returns the first block of
4018   the ``Function``.
4020 * | ``Type *getReturnType()``
4021   | ``FunctionType *getFunctionType()``
4023   This traverses the Type_ of the ``Function`` and returns the return type of
4024   the function, or the FunctionType_ of the actual function.
4026 * ``SymbolTable *getSymbolTable()``
4028   Return a pointer to the SymbolTable_ for this ``Function``.
4030 .. _GlobalVariable:
4032 The ``GlobalVariable`` class
4033 ----------------------------
4035 ``#include "llvm/IR/GlobalVariable.h"``
4037 header source: `GlobalVariable.h
4038 <http://llvm.org/doxygen/GlobalVariable_8h_source.html>`_
4040 doxygen info: `GlobalVariable Class
4041 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GlobalVariable.html>`_
4043 Superclasses: GlobalValue_, Constant_, User_, Value_
4045 Global variables are represented with the (surprise surprise) ``GlobalVariable``
4046 class.  Like functions, ``GlobalVariable``\ s are also subclasses of
4047 GlobalValue_, and as such are always referenced by their address (global values
4048 must live in memory, so their "name" refers to their constant address).  See
4049 GlobalValue_ for more on this.  Global variables may have an initial value
4050 (which must be a Constant_), and if they have an initializer, they may be marked
4051 as "constant" themselves (indicating that their contents never change at
4052 runtime).
4054 .. _m_GlobalVariable:
4056 Important Public Members of the ``GlobalVariable`` class
4057 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
4059 * ``GlobalVariable(const Type *Ty, bool isConstant, LinkageTypes &Linkage,
4060   Constant *Initializer = 0, const std::string &Name = "", Module* Parent = 0)``
4062   Create a new global variable of the specified type.  If ``isConstant`` is true
4063   then the global variable will be marked as unchanging for the program.  The
4064   Linkage parameter specifies the type of linkage (internal, external, weak,
4065   linkonce, appending) for the variable.  If the linkage is InternalLinkage,
4066   WeakAnyLinkage, WeakODRLinkage, LinkOnceAnyLinkage or LinkOnceODRLinkage, then
4067   the resultant global variable will have internal linkage.  AppendingLinkage
4068   concatenates together all instances (in different translation units) of the
4069   variable into a single variable but is only applicable to arrays.  See the
4070   `LLVM Language Reference <LangRef.html#modulestructure>`_ for further details
4071   on linkage types.  Optionally an initializer, a name, and the module to put
4072   the variable into may be specified for the global variable as well.
4074 * ``bool isConstant() const``
4076   Returns true if this is a global variable that is known not to be modified at
4077   runtime.
4079 * ``bool hasInitializer()``
4081   Returns true if this ``GlobalVariable`` has an intializer.
4083 * ``Constant *getInitializer()``
4085   Returns the initial value for a ``GlobalVariable``.  It is not legal to call
4086   this method if there is no initializer.
4088 .. _BasicBlock:
4090 The ``BasicBlock`` class
4091 ------------------------
4093 ``#include "llvm/IR/BasicBlock.h"``
4095 header source: `BasicBlock.h
4096 <http://llvm.org/doxygen/BasicBlock_8h_source.html>`_
4098 doxygen info: `BasicBlock Class
4099 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1BasicBlock.html>`_
4101 Superclass: Value_
4103 This class represents a single entry single exit section of the code, commonly
4104 known as a basic block by the compiler community.  The ``BasicBlock`` class
4105 maintains a list of Instruction_\ s, which form the body of the block.  Matching
4106 the language definition, the last element of this list of instructions is always
4107 a terminator instruction.
4109 In addition to tracking the list of instructions that make up the block, the
4110 ``BasicBlock`` class also keeps track of the :ref:`Function <c_Function>` that
4111 it is embedded into.
4113 Note that ``BasicBlock``\ s themselves are Value_\ s, because they are
4114 referenced by instructions like branches and can go in the switch tables.
4115 ``BasicBlock``\ s have type ``label``.
4117 .. _m_BasicBlock:
4119 Important Public Members of the ``BasicBlock`` class
4120 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
4122 * ``BasicBlock(const std::string &Name = "", Function *Parent = 0)``
4124   The ``BasicBlock`` constructor is used to create new basic blocks for
4125   insertion into a function.  The constructor optionally takes a name for the
4126   new block, and a :ref:`Function <c_Function>` to insert it into.  If the
4127   ``Parent`` parameter is specified, the new ``BasicBlock`` is automatically
4128   inserted at the end of the specified :ref:`Function <c_Function>`, if not
4129   specified, the BasicBlock must be manually inserted into the :ref:`Function
4130   <c_Function>`.
4132 * | ``BasicBlock::iterator`` - Typedef for instruction list iterator
4133   | ``BasicBlock::const_iterator`` - Typedef for const_iterator.
4134   | ``begin()``, ``end()``, ``front()``, ``back()``,
4135     ``size()``, ``empty()``
4136     STL-style functions for accessing the instruction list.
4138   These methods and typedefs are forwarding functions that have the same
4139   semantics as the standard library methods of the same names.  These methods
4140   expose the underlying instruction list of a basic block in a way that is easy
4141   to manipulate.  To get the full complement of container operations (including
4142   operations to update the list), you must use the ``getInstList()`` method.
4144 * ``BasicBlock::InstListType &getInstList()``
4146   This method is used to get access to the underlying container that actually
4147   holds the Instructions.  This method must be used when there isn't a
4148   forwarding function in the ``BasicBlock`` class for the operation that you
4149   would like to perform.  Because there are no forwarding functions for
4150   "updating" operations, you need to use this if you want to update the contents
4151   of a ``BasicBlock``.
4153 * ``Function *getParent()``
4155   Returns a pointer to :ref:`Function <c_Function>` the block is embedded into,
4156   or a null pointer if it is homeless.
4158 * ``Instruction *getTerminator()``
4160   Returns a pointer to the terminator instruction that appears at the end of the
4161   ``BasicBlock``.  If there is no terminator instruction, or if the last
4162   instruction in the block is not a terminator, then a null pointer is returned.
4164 .. _Argument:
4166 The ``Argument`` class
4167 ----------------------
4169 This subclass of Value defines the interface for incoming formal arguments to a
4170 function.  A Function maintains a list of its formal arguments.  An argument has
4171 a pointer to the parent Function.