[AArch64] Crypto requires FP.
[llvm-core.git] / docs / Statepoints.rst
blob7f2b20544812f6e3da79e11c2984097b9c7d93e5
1 =====================================
2 Garbage Collection Safepoints in LLVM
3 =====================================
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
9 Status
10 =======
12 This document describes a set of experimental extensions to LLVM. Use
13 with caution.  Because the intrinsics have experimental status,
14 compatibility across LLVM releases is not guaranteed.
16 LLVM currently supports an alternate mechanism for conservative
17 garbage collection support using the ``gcroot`` intrinsic.  The mechanism
18 described here shares little in common with the alternate ``gcroot``
19 implementation and it is hoped that this mechanism will eventually
20 replace the gc_root mechanism.
22 Overview
23 ========
25 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
26 any references to objects contained within executing code, and,
27 depending on the collector, potentially update them.  The collector
28 does not need this information at all points in code - that would make
29 the problem much harder - but only at well-defined points in the
30 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
31 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
32 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
33 running code, a higher standard is required.
35 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
36 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
37 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
38 intermediate value must yield an address within the bounds of the
39 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
40 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
41 runtime value of an address to indicate the object it is associated
42 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
43 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
44 its allocation.
46 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
47 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
48 load barriers, store barriers, and safepoints.
50 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
51    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
52    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
53    loads, merely loads of a particular type (in the original source
54    language), or none at all.
56 #. Analogously, a store barrier is a code fragment that runs
57    immediately before the machine store instruction, but after the
58    computation of the value stored.  The most common use of a store
59    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
60    collector.
62 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
63    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
64    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
65    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
66    pointed to will not.
68   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
69   both the location at which the machine state is parsable and the
70   coordination protocol involved in bring application threads to a
71   point at which the collector can safely use that information.  The
72   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
73   former.
75 This document focuses on the last item - compiler support for
76 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
77 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
78 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
79 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
80 the collector must be able to:
82 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
83    the compiler itself) at the safepoint,
84 #. identify which object each pointer relates to, and
85 #. potentially update each of those copies.
87 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
88 can provide this information to a language runtime/collector, and
89 ensure that all pointers can be read and updated if desired.  The
90 heart of the approach is to construct (or rewrite) the IR in a manner
91 where the possible updates performed by the garbage collector are
92 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
94 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
95    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
96    reachable after the safepoint,
97 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
98    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
99    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
100    from performing unsound optimizations.
101 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
102    associated with) for each statepoint.
104 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
105 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
106 function which both calls the original target of the call, returns
107 it's result, and returns updated values for any live pointers to
108 garbage collected objects.
110   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
111   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
112   base object for every such live pointer, and inserting all the
113   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
114   The recommended approach is to use the :ref:`utility passes 
115   <statepoint-utilities>` described below. 
117 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
118 intrinsic calls known collectively as a "statepoint relocation sequence".
120 Let's consider a simple call in LLVM IR:
122 .. code-block:: llvm
124   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
125          gc "statepoint-example" {
126     call void ()* @foo()
127     ret i8 addrspace(1)* %obj
128   }
130 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the execution 
131 of ``foo``. If so, we need to let the collector update local values in the 
132 current frame.  If we don't, we'll be accessing a potential invalid reference 
133 once we eventually return from the call.
135 In this example, we need to relocate the SSA value ``%obj``.  Since we can't 
136 actually change the value in the SSA value ``%obj``, we need to introduce a new 
137 SSA value ``%obj.relocated`` which represents the potentially changed value of
138 ``%obj`` after the safepoint and update any following uses appropriately.  The 
139 resulting relocation sequence is:
141 .. code-block:: text
143   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
144          gc "statepoint-example" {
145     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
146     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
147     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
148   }
150 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
151 return value function (where M is the number of values being
152 relocated + the original call arguments and N is the original return
153 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
154 representation.
156 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
157 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
158 exists only at compile time).  To get back the original return value
159 of the call, we use the ``gc.result`` intrinsic.  To get the relocation
160 of each pointer in turn, we use the ``gc.relocate`` intrinsic with the
161 appropriate index.  Note that both the ``gc.relocate`` and ``gc.result`` are
162 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint relocation 
163 sequence" and represents the entirety of a parseable call or 'statepoint'.
165 When lowered, this example would generate the following x86 assembly:
167 .. code-block:: gas
168   
169           .globl        test1
170           .align        16, 0x90
171           pushq %rax
172           callq foo
173   .Ltmp1:
174           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
175           popq  %rdx
176           retq
178 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
179 stack, and a record of that location has been recorded to the
180 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
181 needs to update any of these pointers during the call, it knows
182 exactly what to change.
184 The relevant parts of the StackMap section for our example are:
186 .. code-block:: gas
187   
188   # This describes the call site
189   # Stack Maps: callsite 2882400000
190           .quad 2882400000
191           .long .Ltmp1-test1
192           .short        0
193   # .. 8 entries skipped ..
194   # This entry describes the spill slot which is directly addressable
195   # off RSP with offset 0.  Given the value was spilled with a pushq, 
196   # that makes sense.
197   # Stack Maps:   Loc 8: Direct RSP     [encoding: .byte 2, .byte 8, .short 7, .int 0]
198           .byte 2
199           .byte 8
200           .short        7
201           .long 0
203 This example was taken from the tests for the :ref:`RewriteStatepointsForGC` utility pass.  As such, it's full StackMap can be easily examined with the following command.
205 .. code-block:: bash
207   opt -rewrite-statepoints-for-gc test/Transforms/RewriteStatepointsForGC/basics.ll -S | llc -debug-only=stackmaps
209 Base & Derived Pointers
210 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
212 A "base pointer" is one which points to the starting address of an allocation
213 (object).  A "derived pointer" is one which is offset from a base pointer by
214 some amount.  When relocating objects, a garbage collector needs to be able 
215 to relocate each derived pointer associated with an allocation to the same 
216 offset from the new address.
218 "Interior derived pointers" remain within the bounds of the allocation 
219 they're associated with.  As a result, the base object can be found at 
220 runtime provided the bounds of allocations are known to the runtime system.
222 "Exterior derived pointers" are outside the bounds of the associated object;
223 they may even fall within *another* allocations address range.  As a result,
224 there is no way for a garbage collector to determine which allocation they 
225 are associated with at runtime and compiler support is needed.
227 The ``gc.relocate`` intrinsic supports an explicit operand for describing the
228 allocation associated with a derived pointer.  This operand is frequently 
229 referred to as the base operand, but does not strictly speaking have to be
230 a base pointer, but it does need to lie within the bounds of the associated
231 allocation.  Some collectors may require that the operand be an actual base
232 pointer rather than merely an internal derived pointer. Note that during 
233 lowering both the base and derived pointer operands are required to be live 
234 over the associated call safepoint even if the base is otherwise unused 
235 afterwards.
237 If we extend our previous example to include a pointless derived pointer, 
238 we get:
240 .. code-block:: text
242   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
243          gc "statepoint-example" {
244     %gep = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %obj, i64 20000
245     %token = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj, i8 addrspace(1)* %gep)
246     %obj.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 7)
247     %gep.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 8)
248     %p = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %gep, i64 -20000
249     ret i8 addrspace(1)* %p
250   }
252 Note that in this example %p and %obj.relocate are the same address and we
253 could replace one with the other, potentially removing the derived pointer
254 from the live set at the safepoint entirely.
256 .. _gc_transition_args:
258 GC Transitions
259 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
261 As a practical consideration, many garbage-collected systems allow code that is
262 collector-aware ("managed code") to call code that is not collector-aware
263 ("unmanaged code"). It is common that such calls must also be safepoints, since
264 it is desirable to allow the collector to run during the execution of
265 unmanaged code. Furthermore, it is common that coordinating the transition from
266 managed to unmanaged code requires extra code generation at the call site to
267 inform the collector of the transition. In order to support these needs, a
268 statepoint may be marked as a GC transition, and data that is necessary to
269 perform the transition (if any) may be provided as additional arguments to the
270 statepoint.
272   Note that although in many cases statepoints may be inferred to be GC
273   transitions based on the function symbols involved (e.g. a call from a
274   function with GC strategy "foo" to a function with GC strategy "bar"),
275   indirect calls that are also GC transitions must also be supported. This
276   requirement is the driving force behind the decision to require that GC
277   transitions are explicitly marked.
279 Let's revisit the sample given above, this time treating the call to ``@foo``
280 as a GC transition. Depending on our target, the transition code may need to
281 access some extra state in order to inform the collector of the transition.
282 Let's assume a hypothetical GC--somewhat unimaginatively named "hypothetical-gc"
283 --that requires that a TLS variable must be written to before and after a call
284 to unmanaged code. The resulting relocation sequence is:
286 .. code-block:: text
288   @flag = thread_local global i32 0, align 4
290   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1) *%obj)
291          gc "hypothetical-gc" {
293     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 1, i32* @Flag, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
294     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
295     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
296   }
298 During lowering, this will result in a instruction selection DAG that looks
299 something like:
303   CALLSEQ_START
304   ...
305   GC_TRANSITION_START (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32* Flag
306   STATEPOINT
307   GC_TRANSITION_END (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32 *Flag
308   ...
309   CALLSEQ_END
311 In order to generate the necessary transition code, the backend for each target
312 supported by "hypothetical-gc" must be modified to lower ``GC_TRANSITION_START``
313 and ``GC_TRANSITION_END`` nodes appropriately when the "hypothetical-gc"
314 strategy is in use for a particular function. Assuming that such lowering has
315 been added for X86, the generated assembly would be:
317 .. code-block:: gas
319           .globl        test1
320           .align        16, 0x90
321           pushq %rax
322           movl $1, %fs:Flag@TPOFF
323           callq foo
324           movl $0, %fs:Flag@TPOFF
325   .Ltmp1:
326           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
327           popq  %rdx
328           retq
330 Note that the design as presented above is not fully implemented: in particular,
331 strategy-specific lowering is not present, and all GC transitions are emitted as
332 as single no-op before and after the call instruction. These no-ops are often
333 removed by the backend during dead machine instruction elimination.
336 Intrinsics
337 ===========
339 'llvm.experimental.gc.statepoint' Intrinsic
340 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
342 Syntax:
343 """""""
347       declare token
348         @llvm.experimental.gc.statepoint(i64 <id>, i32 <num patch bytes>,
349                        func_type <target>, 
350                        i64 <#call args>, i64 <flags>,
351                        ... (call parameters),
352                        i64 <# transition args>, ... (transition parameters),
353                        i64 <# deopt args>, ... (deopt parameters),
354                        ... (gc parameters))
356 Overview:
357 """""""""
359 The statepoint intrinsic represents a call which is parse-able by the
360 runtime.
362 Operands:
363 """""""""
365 The 'id' operand is a constant integer that is reported as the ID
366 field in the generated stackmap.  LLVM does not interpret this
367 parameter in any way and its meaning is up to the statepoint user to
368 decide.  Note that LLVM is free to duplicate code containing
369 statepoint calls, and this may transform IR that had a unique 'id' per
370 lexical call to statepoint to IR that does not.
372 If 'num patch bytes' is non-zero then the call instruction
373 corresponding to the statepoint is not emitted and LLVM emits 'num
374 patch bytes' bytes of nops in its place.  LLVM will emit code to
375 prepare the function arguments and retrieve the function return value
376 in accordance to the calling convention; the former before the nop
377 sequence and the latter after the nop sequence.  It is expected that
378 the user will patch over the 'num patch bytes' bytes of nops with a
379 calling sequence specific to their runtime before executing the
380 generated machine code.  There are no guarantees with respect to the
381 alignment of the nop sequence.  Unlike :doc:`StackMaps` statepoints do
382 not have a concept of shadow bytes.  Note that semantically the
383 statepoint still represents a call or invoke to 'target', and the nop
384 sequence after patching is expected to represent an operation
385 equivalent to a call or invoke to 'target'.
387 The 'target' operand is the function actually being called.  The
388 target can be specified as either a symbolic LLVM function, or as an
389 arbitrary Value of appropriate function type.  Note that the function
390 type must match the signature of the callee and the types of the 'call
391 parameters' arguments.
393 The '#call args' operand is the number of arguments to the actual
394 call.  It must exactly match the number of arguments passed in the
395 'call parameters' variable length section.
397 The 'flags' operand is used to specify extra information about the
398 statepoint. This is currently only used to mark certain statepoints
399 as GC transitions. This operand is a 64-bit integer with the following
400 layout, where bit 0 is the least significant bit:
402   +-------+---------------------------------------------------+
403   | Bit # | Usage                                             |
404   +=======+===================================================+
405   |     0 | Set if the statepoint is a GC transition, cleared |
406   |       | otherwise.                                        |
407   +-------+---------------------------------------------------+
408   |  1-63 | Reserved for future use; must be cleared.         |
409   +-------+---------------------------------------------------+
411 The 'call parameters' arguments are simply the arguments which need to
412 be passed to the call target.  They will be lowered according to the
413 specified calling convention and otherwise handled like a normal call
414 instruction.  The number of arguments must exactly match what is
415 specified in '# call args'.  The types must match the signature of
416 'target'.
418 The 'transition parameters' arguments contain an arbitrary list of
419 Values which need to be passed to GC transition code. They will be
420 lowered and passed as operands to the appropriate GC_TRANSITION nodes
421 in the selection DAG. It is assumed that these arguments must be
422 available before and after (but not necessarily during) the execution
423 of the callee. The '# transition args' field indicates how many operands
424 are to be interpreted as 'transition parameters'.
426 The 'deopt parameters' arguments contain an arbitrary list of Values
427 which is meaningful to the runtime.  The runtime may read any of these
428 values, but is assumed not to modify them.  If the garbage collector
429 might need to modify one of these values, it must also be listed in
430 the 'gc pointer' argument list.  The '# deopt args' field indicates
431 how many operands are to be interpreted as 'deopt parameters'.
433 The 'gc parameters' arguments contain every pointer to a garbage
434 collector object which potentially needs to be updated by the garbage
435 collector.  Note that the argument list must explicitly contain a base
436 pointer for every derived pointer listed.  The order of arguments is
437 unimportant.  Unlike the other variable length parameter sets, this
438 list is not length prefixed.
440 Semantics:
441 """"""""""
443 A statepoint is assumed to read and write all memory.  As a result,
444 memory operations can not be reordered past a statepoint.  It is
445 illegal to mark a statepoint as being either 'readonly' or 'readnone'.
447 Note that legal IR can not perform any memory operation on a 'gc
448 pointer' argument of the statepoint in a location statically reachable
449 from the statepoint.  Instead, the explicitly relocated value (from a
450 ``gc.relocate``) must be used.
452 'llvm.experimental.gc.result' Intrinsic
453 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
455 Syntax:
456 """""""
460       declare type*
461         @llvm.experimental.gc.result(token %statepoint_token)
463 Overview:
464 """""""""
466 ``gc.result`` extracts the result of the original call instruction
467 which was replaced by the ``gc.statepoint``.  The ``gc.result``
468 intrinsic is actually a family of three intrinsics due to an
469 implementation limitation.  Other than the type of the return value,
470 the semantics are the same.
472 Operands:
473 """""""""
475 The first and only argument is the ``gc.statepoint`` which starts
476 the safepoint sequence of which this ``gc.result`` is a part.
477 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
478 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
480 Semantics:
481 """"""""""
483 The ``gc.result`` represents the return value of the call target of
484 the ``statepoint``.  The type of the ``gc.result`` must exactly match
485 the type of the target.  If the call target returns void, there will
486 be no ``gc.result``.
488 A ``gc.result`` is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
489 side effects since it is just a projection of the return value of the
490 previous call represented by the ``gc.statepoint``.
492 'llvm.experimental.gc.relocate' Intrinsic
493 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
495 Syntax:
496 """""""
500       declare <pointer type>
501         @llvm.experimental.gc.relocate(token %statepoint_token, 
502                                        i32 %base_offset, 
503                                        i32 %pointer_offset)
505 Overview:
506 """""""""
508 A ``gc.relocate`` returns the potentially relocated value of a pointer
509 at the safepoint.
511 Operands:
512 """""""""
514 The first argument is the ``gc.statepoint`` which starts the
515 safepoint sequence of which this ``gc.relocation`` is a part.
516 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
517 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
519 The second argument is an index into the statepoints list of arguments
520 which specifies the allocation for the pointer being relocated.
521 This index must land within the 'gc parameter' section of the
522 statepoint's argument list.  The associated value must be within the
523 object with which the pointer being relocated is associated. The optimizer
524 is free to change *which* interior derived pointer is reported, provided that
525 it does not replace an actual base pointer with another interior derived 
526 pointer.  Collectors are allowed to rely on the base pointer operand 
527 remaining an actual base pointer if so constructed.
529 The third argument is an index into the statepoint's list of arguments
530 which specify the (potentially) derived pointer being relocated.  It
531 is legal for this index to be the same as the second argument
532 if-and-only-if a base pointer is being relocated. This index must land
533 within the 'gc parameter' section of the statepoint's argument list.
535 Semantics:
536 """"""""""
538 The return value of ``gc.relocate`` is the potentially relocated value
539 of the pointer specified by it's arguments.  It is unspecified how the
540 value of the returned pointer relates to the argument to the
541 ``gc.statepoint`` other than that a) it points to the same source
542 language object with the same offset, and b) the 'based-on'
543 relationship of the newly relocated pointers is a projection of the
544 unrelocated pointers.  In particular, the integer value of the pointer
545 returned is unspecified.
547 A ``gc.relocate`` is modeled as a ``readnone`` pure function.  It has no
548 side effects since it is just a way to extract information about work
549 done during the actual call modeled by the ``gc.statepoint``.
551 .. _statepoint-stackmap-format:
553 Stack Map Format
554 ================
556 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
557 the runtime or collector are provided via the :ref:`Stack Map format
558 <stackmap-format>` specified in the PatchPoint documentation.
560 Each statepoint generates the following Locations:
562 * Constant which describes the calling convention of the call target. This
563   constant is a valid :ref:`calling convention identifier <callingconv>` for
564   the version of LLVM used to generate the stackmap. No additional compatibility
565   guarantees are made for this constant over what LLVM provides elsewhere w.r.t.
566   these identifiers.
567 * Constant which describes the flags passed to the statepoint intrinsic
568 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
569   operands)
570 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in
571   the IR statepoint (same number as described by previous Constant).  At 
572   the moment, only deopt parameters with a bitwidth of 64 bits or less 
573   are supported.  Values of a type larger than 64 bits can be specified 
574   and reported only if a) the value is constant at the call site, and b) 
575   the constant can be represented with less than 64 bits (assuming zero 
576   extension to the original bitwidth).
577 * Variable number of relocation records, each of which consists of 
578   exactly two Locations.  Relocation records are described in detail
579   below.
581 Each relocation record provides sufficient information for a collector to 
582 relocate one or more derived pointers.  Each record consists of a pair of 
583 Locations.  The second element in the record represents the pointer (or 
584 pointers) which need updated.  The first element in the record provides a 
585 pointer to the base of the object with which the pointer(s) being relocated is
586 associated.  This information is required for handling generalized derived 
587 pointers since a pointer may be outside the bounds of the original allocation,
588 but still needs to be relocated with the allocation.  Additionally:
590 * It is guaranteed that the base pointer must also appear explicitly as a 
591   relocation pair if used after the statepoint. 
592 * There may be fewer relocation records then gc parameters in the IR
593   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
594   are possible.  
595 * The Locations within each record may either be of pointer size or a 
596   multiple of pointer size.  In the later case, the record must be 
597   interpreted as describing a sequence of pointers and their corresponding 
598   base pointers. If the Location is of size N x sizeof(pointer), then
599   there will be N records of one pointer each contained within the Location.
600   Both Locations in a pair can be assumed to be of the same size.
602 Note that the Locations used in each section may describe the same
603 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
604 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
606 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
607 record.
609 Safepoint Semantics & Verification
610 ==================================
612 The fundamental correctness property for the compiled code's
613 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
614 the case that there is no dynamic trace such that a operation
615 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
616 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
617 means that an outside observer could observe this sequence of events
618 in a way which precludes the operation being performed before the
619 safepoint.
621 To understand why this 'observable-after' property is required,
622 consider a null comparison performed on the original copy of a
623 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
624 there is no way to observe externally whether the null comparison is
625 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
626 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
627 either scheduling choice.
629 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
630 this.  We require that there be no *static path* on which a
631 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
632 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
633 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
634 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
636 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
637 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
638 the design.
640 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
641 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
642 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
643 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
644 a verifier.  Please ask on llvm-dev if you're interested in
645 experimenting with the current version.
647 .. _statepoint-utilities:
649 Utility Passes for Safepoint Insertion
650 ======================================
652 .. _RewriteStatepointsForGC:
654 RewriteStatepointsForGC
655 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
657 The pass RewriteStatepointsForGC transforms a functions IR by replacing a 
658 ``gc.statepoint`` (with an optional ``gc.result``) with a full relocation 
659 sequence, including all required ``gc.relocates``.  To function, the pass 
660 requires that the GC strategy specified for the function be able to reliably 
661 distinguish between GC references and non-GC references in IR it is given.
663 As an example, given this code:
665 .. code-block:: text
667   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
668          gc "statepoint-example" {
669     call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0)
670     ret i8 addrspace(1)* %obj
671   }
673 The pass would produce this IR:
675 .. code-block:: text
677   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
678          gc "statepoint-example" {
679     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
680     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 12, i32 12)
681     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
682   }
684 In the above examples, the addrspace(1) marker on the pointers is the mechanism
685 that the ``statepoint-example`` GC strategy uses to distinguish references from
686 non references.  Address space 1 is not globally reserved for this purpose.
688 This pass can be used an utility function by a language frontend that doesn't 
689 want to manually reason about liveness, base pointers, or relocation when 
690 constructing IR.  As currently implemented, RewriteStatepointsForGC must be 
691 run after SSA construction (i.e. mem2ref).
693 RewriteStatepointsForGC will ensure that appropriate base pointers are listed
694 for every relocation created.  It will do so by duplicating code as needed to
695 propagate the base pointer associated with each pointer being relocated to
696 the appropriate safepoints.  The implementation assumes that the following 
697 IR constructs produce base pointers: loads from the heap, addresses of global 
698 variables, function arguments, function return values. Constant pointers (such
699 as null) are also assumed to be base pointers.  In practice, this constraint
700 can be relaxed to producing interior derived pointers provided the target 
701 collector can find the associated allocation from an arbitrary interior 
702 derived pointer.
704 In practice, RewriteStatepointsForGC can be run much later in the pass 
705 pipeline, after most optimization is already done.  This helps to improve 
706 the quality of the generated code when compiled with garbage collection support.
707 In the long run, this is the intended usage model.  At this time, a few details
708 have yet to be worked out about the semantic model required to guarantee this 
709 is always correct.  As such, please use with caution and report bugs.
711 .. _PlaceSafepoints:
713 PlaceSafepoints
714 ^^^^^^^^^^^^^^^^
716 The pass PlaceSafepoints transforms a function's IR by replacing any call or 
717 invoke instructions with appropriate ``gc.statepoint`` and ``gc.result`` pairs,
718 and inserting safepoint polls sufficient to ensure running code checks for a 
719 safepoint request on a timely manner.  This pass is expected to be run before 
720 RewriteStatepointsForGC and thus does not produce full relocation sequences.  
722 As an example, given input IR of the following:
724 .. code-block:: llvm
726   define void @test() gc "statepoint-example" {
727     call void @foo()
728     ret void
729   }
731   declare void @do_safepoint()
732   define void @gc.safepoint_poll() {
733     call void @do_safepoint()
734     ret void
735   }
738 This pass would produce the following IR:
740 .. code-block:: text
742   define void @test() gc "statepoint-example" {
743     %safepoint_token = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @do_safepoint, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0)
744     %safepoint_token1 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0)
745     ret void
746   }
748 In this case, we've added an (unconditional) entry safepoint poll and converted the call into a ``gc.statepoint``.  Note that despite appearances, the entry poll is not necessarily redundant.  We'd have to know that ``foo`` and ``test`` were not mutually recursive for the poll to be redundant.  In practice, you'd probably want to your poll definition to contain a conditional branch of some form.
751 At the moment, PlaceSafepoints can insert safepoint polls at method entry and 
752 loop backedges locations.  Extending this to work with return polls would be 
753 straight forward if desired.
755 PlaceSafepoints includes a number of optimizations to avoid placing safepoint 
756 polls at particular sites unless needed to ensure timely execution of a poll 
757 under normal conditions.  PlaceSafepoints does not attempt to ensure timely 
758 execution of a poll under worst case conditions such as heavy system paging.
760 The implementation of a safepoint poll action is specified by looking up a 
761 function of the name ``gc.safepoint_poll`` in the containing Module.  The body
762 of this function is inserted at each poll site desired.  While calls or invokes
763 inside this method are transformed to a ``gc.statepoints``, recursive poll 
764 insertion is not performed.
766 By default PlaceSafepoints passes in ``0xABCDEF00`` as the statepoint
767 ID and ``0`` as the number of patchable bytes to the newly constructed
768 ``gc.statepoint``.  These values can be configured on a per-callsite
769 basis using the attributes ``"statepoint-id"`` and
770 ``"statepoint-num-patch-bytes"``.  If a call site is marked with a
771 ``"statepoint-id"`` function attribute and its value is a positive
772 integer (represented as a string), then that value is used as the ID
773 of the newly constructed ``gc.statepoint``.  If a call site is marked
774 with a ``"statepoint-num-patch-bytes"`` function attribute and its
775 value is a positive integer, then that value is used as the 'num patch
776 bytes' parameter of the newly constructed ``gc.statepoint``.  The
777 ``"statepoint-id"`` and ``"statepoint-num-patch-bytes"`` attributes
778 are not propagated to the ``gc.statepoint`` call or invoke if they
779 could be successfully parsed.
781 If you are scheduling the RewriteStatepointsForGC pass late in the pass order,
782 you should probably schedule this pass immediately before it.  The exception 
783 would be if you need to preserve abstract frame information (e.g. for
784 deoptimization or introspection) at safepoints.  In that case, ask on the 
785 llvm-dev mailing list for suggestions.
788 Supported Architectures
789 =======================
791 Support for statepoint generation requires some code for each backend.
792 Today, only X86_64 is supported.  
794 Problem Areas and Active Work
795 =============================
797 #. As the existing users of the late rewriting model have matured, we've found
798    cases where the optimizer breaks the assumption that an SSA value of
799    gc-pointer type actually contains a gc-pointer and vice-versa.  We need to
800    clarify our expectations and propose at least one small IR change.  (Today,
801    the gc-pointer distinction is managed via address spaces.  This turns out
802    not to be quite strong enough.)
804 #. Support for languages which allow unmanaged pointers to garbage collected
805    objects (i.e. pass a pointer to an object to a C routine) via pinning.
807 #. Support for garbage collected objects allocated on the stack.  Specifically,
808    allocas are always assumed to be in address space 0 and we need a
809    cast/promotion operator to let rewriting identify them.
811 #. The current statepoint lowering is known to be somewhat poor.  In the very
812    long term, we'd like to integrate statepoints with the register allocator;
813    in the near term this is unlikely to happen.  We've found the quality of
814    lowering to be relatively unimportant as hot-statepoints are almost always
815    inliner bugs.
817 #. Concerns have been raised that the statepoint representation results in a
818    large amount of IR being produced for some examples and that this
819    contributes to higher than expected memory usage and compile times.  There's
820    no immediate plans to make changes due to this, but alternate models may be
821    explored in the future.
823 #. Relocations along exceptional paths are currently broken in ToT.  In
824    particular, there is current no way to represent a rethrow on a path which
825    also has relocations.  See `this llvm-dev discussion
826    <https://groups.google.com/forum/#!topic/llvm-dev/AE417XjgxvI>`_ for more
827    detail.
829 Bugs and Enhancements
830 =====================
832 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
833 tracked by performing a `bugzilla search
834 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
835 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
836 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
837 with most LLVM features, design discussions take place on `llvm-dev
838 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-dev>`_, and patches
839 should be sent to `llvm-commits
840 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.