Document Dual ABI for std::ios_base::failure
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1 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook" version="5.0" 
2          xml:id="manual.ext.debug_mode" xreflabel="Debug Mode">
3 <?dbhtml filename="debug_mode.html"?>
5 <info><title>Debug Mode</title>
6   <keywordset>
7     <keyword>C++</keyword>
8     <keyword>library</keyword>
9     <keyword>debug</keyword>
10   </keywordset>
11 </info>
15 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.intro" xreflabel="Intro"><info><title>Intro</title></info>
16   
17   <para>
18     By default, libstdc++ is built with efficiency in mind, and
19     therefore performs little or no error checking that is not
20     required by the C++ standard. This means that programs that
21     incorrectly use the C++ standard library will exhibit behavior
22     that is not portable and may not even be predictable, because they
23     tread into implementation-specific or undefined behavior. To
24     detect some of these errors before they can become problematic,
25     libstdc++ offers a debug mode that provides additional checking of
26     library facilities, and will report errors in the use of libstdc++
27     as soon as they can be detected by emitting a description of the
28     problem to standard error and aborting the program.  This debug
29     mode is available with GCC 3.4.0 and later versions.
30   </para>
32   <para>
33     The libstdc++ debug mode performs checking for many areas of the
34     C++ standard, but the focus is on checking interactions among
35     standard iterators, containers, and algorithms, including:
36   </para>
38   <itemizedlist>
39     <listitem><para><emphasis>Safe iterators</emphasis>: Iterators keep track of the
40     container whose elements they reference, so errors such as
41     incrementing a past-the-end iterator or dereferencing an iterator
42     that points to a container that has been destructed are diagnosed
43     immediately.</para></listitem>
45     <listitem><para><emphasis>Algorithm preconditions</emphasis>: Algorithms attempt to
46     validate their input parameters to detect errors as early as
47     possible. For instance, the <code>set_intersection</code>
48     algorithm requires that its iterator
49     parameters <code>first1</code> and <code>last1</code> form a valid
50     iterator range, and that the sequence
51     [<code>first1</code>, <code>last1</code>) is sorted according to
52     the same predicate that was passed
53     to <code>set_intersection</code>; the libstdc++ debug mode will
54     detect an error if the sequence is not sorted or was sorted by a
55     different predicate.</para></listitem>
56   </itemizedlist>
58 </section>
60 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.semantics" xreflabel="Semantics"><info><title>Semantics</title></info>
61   <?dbhtml filename="debug_mode_semantics.html"?>
62   
63   <para>
64   </para>
66 <para>A program that uses the C++ standard library correctly
67   will maintain the same semantics under debug mode as it had with
68   the normal (release) library. All functional and exception-handling
69   guarantees made by the normal library also hold for the debug mode
70   library, with one exception: performance guarantees made by the
71   normal library may not hold in the debug mode library. For
72   instance, erasing an element in a <code>std::list</code> is a
73   constant-time operation in normal library, but in debug mode it is
74   linear in the number of iterators that reference that particular
75   list. So while your (correct) program won't change its results, it
76   is likely to execute more slowly.</para>
78 <para>libstdc++ includes many extensions to the C++ standard library. In
79   some cases the extensions are obvious, such as the hashed
80   associative containers, whereas other extensions give predictable
81   results to behavior that would otherwise be undefined, such as
82   throwing an exception when a <code>std::basic_string</code> is
83   constructed from a NULL character pointer. This latter category also
84   includes implementation-defined and unspecified semantics, such as
85   the growth rate of a vector. Use of these extensions is not
86   considered incorrect, so code that relies on them will not be
87   rejected by debug mode. However, use of these extensions may affect
88   the portability of code to other implementations of the C++ standard
89   library, and is therefore somewhat hazardous. For this reason, the
90   libstdc++ debug mode offers a "pedantic" mode (similar to
91   GCC's <code>-pedantic</code> compiler flag) that attempts to emulate
92   the semantics guaranteed by the C++ standard. For
93   instance, constructing a <code>std::basic_string</code> with a NULL
94   character pointer would result in an exception under normal mode or
95   non-pedantic debug mode (this is a libstdc++ extension), whereas
96   under pedantic debug mode libstdc++ would signal an error. To enable
97   the pedantic debug mode, compile your program with
98   both <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>
99   and <code>-D_GLIBCXX_DEBUG_PEDANTIC</code> .
100   (N.B. In GCC 3.4.x and 4.0.0, due to a bug,
101   <code>-D_GLIBXX_DEBUG_PEDANTIC</code> was also needed. The problem has
102   been fixed in GCC 4.0.1 and later versions.) </para>
104 <para>The following library components provide extra debugging
105   capabilities in debug mode:</para>
106 <itemizedlist>
107   <listitem><para><code>std::basic_string</code> (no safe iterators and see note below)</para></listitem>
108   <listitem><para><code>std::bitset</code></para></listitem>
109   <listitem><para><code>std::deque</code></para></listitem>
110   <listitem><para><code>std::list</code></para></listitem>
111   <listitem><para><code>std::map</code></para></listitem>
112   <listitem><para><code>std::multimap</code></para></listitem>
113   <listitem><para><code>std::multiset</code></para></listitem>
114   <listitem><para><code>std::set</code></para></listitem>
115   <listitem><para><code>std::vector</code></para></listitem>
116   <listitem><para><code>std::unordered_map</code></para></listitem>
117   <listitem><para><code>std::unordered_multimap</code></para></listitem>
118   <listitem><para><code>std::unordered_set</code></para></listitem>
119   <listitem><para><code>std::unordered_multiset</code></para></listitem>
120 </itemizedlist>
122 <para>N.B. although there are precondition checks for some string operations,
123 e.g.  <code>operator[]</code>,
124 they will not always be run when using the <code>char</code> and
125 <code>wchar_t</code> specialisations (<code>std::string</code> and
126 <code>std::wstring</code>).  This is because libstdc++ uses GCC's
127 <code>extern template</code> extension to provide explicit instantiations
128 of <code>std::string</code> and <code>std::wstring</code>, and those
129 explicit instantiations don't include the debug-mode checks.  If the
130 containing functions are inlined then the checks will run, so compiling
131 with <code>-O1</code> might be enough to enable them.  Alternatively
132 <code>-D_GLIBCXX_EXTERN_TEMPLATE=0</code> will suppress the declarations
133 of the explicit instantiations and cause the functions to be instantiated
134 with the debug-mode checks included, but this is unsupported and not
135 guaranteed to work.  For full debug-mode support you can use the
136 <code>__gnu_debug::basic_string</code> debugging container directly,
137 which always works correctly.
138 </para>
140 </section>
142 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.using" xreflabel="Using"><info><title>Using</title></info>
143   <?dbhtml filename="debug_mode_using.html"?>
144   
145   <para>
146   </para>
147 <section xml:id="debug_mode.using.mode" xreflabel="Using Mode"><info><title>Using the Debug Mode</title></info>
148   
150 <para>To use the libstdc++ debug mode, compile your application with the
151   compiler flag <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>. Note that this flag
152   changes the sizes and behavior of standard class templates such
153   as <code>std::vector</code>, and therefore you can only link code
154   compiled with debug mode and code compiled without debug mode if no
155   instantiation of a container is passed between the two translation
156   units.</para>
158 <para>By default, error messages are formatted to fit on lines of about
159   78 characters.  The environment variable
160   <code>GLIBCXX_DEBUG_MESSAGE_LENGTH</code> can be used to request a
161   different length.</para>
163 </section>
165 <section xml:id="debug_mode.using.specific" xreflabel="Using Specific"><info><title>Using a Specific Debug Container</title></info>
166   
167 <para>When it is not feasible to recompile your entire application, or
168   only specific containers need checking, debugging containers are
169   available as GNU extensions. These debugging containers are
170   functionally equivalent to the standard drop-in containers used in
171   debug mode, but they are available in a separate namespace as GNU
172   extensions and may be used in programs compiled with either release
173   mode or with debug mode. The
174   following table provides the names and headers of the debugging
175   containers:
176 </para>
178 <table frame="all" xml:id="table.debug_mode_containers">
179 <title>Debugging Containers</title>
181 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
182 <colspec colname="c1"/>
183 <colspec colname="c2"/>
184 <colspec colname="c3"/>
185 <colspec colname="c4"/>
187 <thead>
188   <row>
189     <entry>Container</entry>
190     <entry>Header</entry>
191     <entry>Debug container</entry>
192     <entry>Debug header</entry>
193   </row>
194 </thead>
195 <tbody>
196   <row>
197     <entry><classname>std::bitset</classname></entry>
198     <entry><filename class="headerfile">bitset</filename></entry>
199     <entry><classname>__gnu_debug::bitset</classname></entry>
200     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/bitset&gt;</filename></entry>
201   </row>
202   <row>
203     <entry><classname>std::deque</classname></entry>
204     <entry><filename class="headerfile">deque</filename></entry>
205     <entry><classname>__gnu_debug::deque</classname></entry>
206     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/deque&gt;</filename></entry>
207   </row>
208   <row>
209     <entry><classname>std::list</classname></entry>
210     <entry><filename class="headerfile">list</filename></entry>
211     <entry><classname>__gnu_debug::list</classname></entry>
212     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/list&gt;</filename></entry>
213   </row>
214   <row>
215     <entry><classname>std::map</classname></entry>
216     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
217     <entry><classname>__gnu_debug::map</classname></entry>
218     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
219   </row>
220   <row>
221     <entry><classname>std::multimap</classname></entry>
222     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
223     <entry><classname>__gnu_debug::multimap</classname></entry>
224     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/map&gt;</filename></entry>
225   </row>
226   <row>
227     <entry><classname>std::multiset</classname></entry>
228     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
229     <entry><classname>__gnu_debug::multiset</classname></entry>
230     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
231   </row>
232   <row>
233     <entry><classname>std::set</classname></entry>
234     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
235     <entry><classname>__gnu_debug::set</classname></entry>
236     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/set&gt;</filename></entry>
237   </row>
238   <row>
239     <entry><classname>std::string</classname></entry>
240     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
241     <entry><classname>__gnu_debug::string</classname></entry>
242     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
243   </row>
244   <row>
245     <entry><classname>std::wstring</classname></entry>
246     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
247     <entry><classname>__gnu_debug::wstring</classname></entry>
248     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
249   </row>
250   <row>
251     <entry><classname>std::basic_string</classname></entry>
252     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
253     <entry><classname>__gnu_debug::basic_string</classname></entry>
254     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/string&gt;</filename></entry>
255   </row>
256   <row>
257     <entry><classname>std::vector</classname></entry>
258     <entry><filename class="headerfile">vector</filename></entry>
259     <entry><classname>__gnu_debug::vector</classname></entry>
260     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/vector&gt;</filename></entry>
261   </row>
262 </tbody>
263 </tgroup>
264 </table>
266 <para>In addition, when compiling in C++11 mode, these additional
267 containers have additional debug capability.
268 </para>
270 <table frame="all" xml:id="table.debug_mode_containers_cxx11">
271 <title>Debugging Containers C++11</title>
273 <tgroup cols="4" align="left" colsep="1" rowsep="1">
274 <colspec colname="c1"/>
275 <colspec colname="c2"/>
276 <colspec colname="c3"/>
277 <colspec colname="c4"/>
279 <thead>
280   <row>
281     <entry>Container</entry>
282     <entry>Header</entry>
283     <entry>Debug container</entry>
284     <entry>Debug header</entry>
285   </row>
286 </thead>
287 <tbody>
288   <row>
289     <entry><classname>std::array</classname></entry>
290     <entry><filename class="headerfile">array</filename></entry>
291     <entry><classname>__gnu_debug::array</classname></entry>
292     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/array&gt;</filename></entry>
293   </row>
294   <row>
295     <entry><classname>std::forward_list</classname></entry>
296     <entry><filename class="headerfile">forward_list</filename></entry>
297     <entry><classname>__gnu_debug::forward_list</classname></entry>
298     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/forward_list&gt;</filename></entry>
299   </row>
300   <row>
301     <entry><classname>std::unordered_map</classname></entry>
302     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
303     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_map</classname></entry>
304     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
305   </row>
306   <row>
307     <entry><classname>std::unordered_multimap</classname></entry>
308     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
309     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multimap</classname></entry>
310     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_map&gt;</filename></entry>
311   </row>
312   <row>
313     <entry><classname>std::unordered_set</classname></entry>
314     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
315     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_set</classname></entry>
316     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
317   </row>
318   <row>
319     <entry><classname>std::unordered_multiset</classname></entry>
320     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
321     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multiset</classname></entry>
322     <entry><filename class="headerfile">&lt;debug/unordered_set&gt;</filename></entry>
323   </row>
324 </tbody>
325 </tgroup>
326 </table>
327 </section>
328 </section>
330 <section xml:id="manual.ext.debug_mode.design" xreflabel="Design"><info><title>Design</title></info>
331   <?dbhtml filename="debug_mode_design.html"?>
332   
333   <para>
334   </para>
335   <section xml:id="debug_mode.design.goals" xreflabel="Goals"><info><title>Goals</title></info>
336     
337     <para>
338     </para>
339 <para> The libstdc++ debug mode replaces unsafe (but efficient) standard
340   containers and iterators with semantically equivalent safe standard
341   containers and iterators to aid in debugging user programs. The
342   following goals directed the design of the libstdc++ debug mode:</para>
344   <itemizedlist>
346     <listitem><para><emphasis>Correctness</emphasis>: the libstdc++ debug mode must not change
347     the semantics of the standard library for all cases specified in
348     the ANSI/ISO C++ standard. The essence of this constraint is that
349     any valid C++ program should behave in the same manner regardless
350     of whether it is compiled with debug mode or release mode. In
351     particular, entities that are defined in namespace std in release
352     mode should remain defined in namespace std in debug mode, so that
353     legal specializations of namespace std entities will remain
354     valid. A program that is not valid C++ (e.g., invokes undefined
355     behavior) is not required to behave similarly, although the debug
356     mode will abort with a diagnostic when it detects undefined
357     behavior.</para></listitem>
359     <listitem><para><emphasis>Performance</emphasis>: the additional of the libstdc++ debug mode
360     must not affect the performance of the library when it is compiled
361     in release mode. Performance of the libstdc++ debug mode is
362     secondary (and, in fact, will be worse than the release
363     mode).</para></listitem>
365     <listitem><para><emphasis>Usability</emphasis>: the libstdc++ debug mode should be easy to
366     use. It should be easily incorporated into the user's development
367     environment (e.g., by requiring only a single new compiler switch)
368     and should produce reasonable diagnostics when it detects a
369     problem with the user program. Usability also involves detection
370     of errors when using the debug mode incorrectly, e.g., by linking
371     a release-compiled object against a debug-compiled object if in
372     fact the resulting program will not run correctly.</para></listitem>
374     <listitem><para><emphasis>Minimize recompilation</emphasis>: While it is expected that
375     users recompile at least part of their program to use debug
376     mode, the amount of recompilation affects the
377     detect-compile-debug turnaround time. This indirectly affects the
378     usefulness of the debug mode, because debugging some applications
379     may require rebuilding a large amount of code, which may not be
380     feasible when the suspect code may be very localized. There are
381     several levels of conformance to this requirement, each with its
382     own usability and implementation characteristics. In general, the
383     higher-numbered conformance levels are more usable (i.e., require
384     less recompilation) but are more complicated to implement than
385     the lower-numbered conformance levels.
386       <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
387         <listitem><para><emphasis>Full recompilation</emphasis>: The user must recompile his or
388         her entire application and all C++ libraries it depends on,
389         including the C++ standard library that ships with the
390         compiler. This must be done even if only a small part of the
391         program can use debugging features.</para></listitem>
393         <listitem><para><emphasis>Full user recompilation</emphasis>: The user must recompile
394         his or her entire application and all C++ libraries it depends
395         on, but not the C++ standard library itself. This must be done
396         even if only a small part of the program can use debugging
397         features. This can be achieved given a full recompilation
398         system by compiling two versions of the standard library when
399         the compiler is installed and linking against the appropriate
400         one, e.g., a multilibs approach.</para></listitem>
402         <listitem><para><emphasis>Partial recompilation</emphasis>: The user must recompile the
403         parts of his or her application and the C++ libraries it
404         depends on that will use the debugging facilities
405         directly. This means that any code that uses the debuggable
406         standard containers would need to be recompiled, but code
407         that does not use them (but may, for instance, use IOStreams)
408         would not have to be recompiled.</para></listitem>
410         <listitem><para><emphasis>Per-use recompilation</emphasis>: The user must recompile the
411         parts of his or her application and the C++ libraries it
412         depends on where debugging should occur, and any other code
413         that interacts with those containers. This means that a set of
414         translation units that accesses a particular standard
415         container instance may either be compiled in release mode (no
416         checking) or debug mode (full checking), but must all be
417         compiled in the same way; a translation unit that does not see
418         that standard container instance need not be recompiled. This
419         also means that a translation unit <emphasis>A</emphasis> that contains a
420         particular instantiation
421         (say, <code>std::vector&lt;int&gt;</code>) compiled in release
422         mode can be linked against a translation unit <emphasis>B</emphasis> that
423         contains the same instantiation compiled in debug mode (a
424         feature not present with partial recompilation). While this
425         behavior is technically a violation of the One Definition
426         Rule, this ability tends to be very important in
427         practice. The libstdc++ debug mode supports this level of
428         recompilation. </para></listitem>
430         <listitem><para><emphasis>Per-unit recompilation</emphasis>: The user must only
431         recompile the translation units where checking should occur,
432         regardless of where debuggable standard containers are
433         used. This has also been dubbed "<code>-g</code> mode",
434         because the <code>-g</code> compiler switch works in this way,
435         emitting debugging information at a per--translation-unit
436         granularity. We believe that this level of recompilation is in
437         fact not possible if we intend to supply safe iterators, leave
438         the program semantics unchanged, and not regress in
439         performance under release mode because we cannot associate
440         extra information with an iterator (to form a safe iterator)
441         without either reserving that space in release mode
442         (performance regression) or allocating extra memory associated
443         with each iterator with <code>new</code> (changes the program
444         semantics).</para></listitem>
445       </orderedlist>
446     </para></listitem>
447   </itemizedlist>
448   </section>
450   <section xml:id="debug_mode.design.methods" xreflabel="Methods"><info><title>Methods</title></info>
451     
452     <para>
453     </para>
454 <para>This section provides an overall view of the design of the
455   libstdc++ debug mode and details the relationship between design
456   decisions and the stated design goals.</para>
458   <section xml:id="debug_mode.design.methods.wrappers" xreflabel="Method Wrapper"><info><title>The Wrapper Model</title></info>
459     
460 <para>The libstdc++ debug mode uses a wrapper model where the
461   debugging versions of library components (e.g., iterators and
462   containers) form a layer on top of the release versions of the
463   library components. The debugging components first verify that the
464   operation is correct (aborting with a diagnostic if an error is
465   found) and will then forward to the underlying release-mode
466   container that will perform the actual work. This design decision
467   ensures that we cannot regress release-mode performance (because the
468   release-mode containers are left untouched) and partially
469   enables <link linkend="methods.coexistence.link">mixing debug and
470   release code</link> at link time, although that will not be
471   discussed at this time.</para>
473 <para>Two types of wrappers are used in the implementation of the debug
474   mode: container wrappers and iterator wrappers. The two types of
475   wrappers interact to maintain relationships between iterators and
476   their associated containers, which are necessary to detect certain
477   types of standard library usage errors such as dereferencing
478   past-the-end iterators or inserting into a container using an
479   iterator from a different container.</para>
481   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_iter" xreflabel="Method Safe Iter"><info><title>Safe Iterators</title></info>
482     
483 <para>Iterator wrappers provide a debugging layer over any iterator that
484   is attached to a particular container, and will manage the
485   information detailing the iterator's state (singular,
486   dereferenceable, etc.) and tracking the container to which the
487   iterator is attached. Because iterators have a well-defined, common
488   interface the iterator wrapper is implemented with the iterator
489   adaptor class template <code>__gnu_debug::_Safe_iterator</code>,
490   which takes two template parameters:</para>
492 <itemizedlist>
493   <listitem><para><code>Iterator</code>: The underlying iterator type, which must
494     be either the <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code>
495     typedef from the sequence type this iterator can reference.</para></listitem>
497   <listitem><para><code>Sequence</code>: The type of sequence that this iterator
498   references. This sequence must be a safe sequence (discussed below)
499   whose <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code> typedef
500   is the type of the safe iterator.</para></listitem>
501 </itemizedlist>
502   </section>
504   <section xml:id="debug_mode.design.methods.safe_seq" xreflabel="Method Safe Seq"><info><title>Safe Sequences (Containers)</title></info>
505     
507 <para>Container wrappers provide a debugging layer over a particular
508   container type. Because containers vary greatly in the member
509   functions they support and the semantics of those member functions
510   (especially in the area of iterator invalidation), container
511   wrappers are tailored to the container they reference, e.g., the
512   debugging version of <code>std::list</code> duplicates the entire
513   interface of <code>std::list</code>, adding additional semantic
514   checks and then forwarding operations to the
515   real <code>std::list</code> (a public base class of the debugging
516   version) as appropriate. However, all safe containers inherit from
517   the class template <code>__gnu_debug::_Safe_sequence</code>,
518   instantiated with the type of the safe container itself (an instance
519   of the curiously recurring template pattern).</para>
521 <para>The iterators of a container wrapper will be
522   <link linkend="debug_mode.design.methods.safe_iter">safe
523   iterators</link> that reference sequences of this type and wrap the
524   iterators provided by the release-mode base class. The debugging
525   container will use only the safe iterators within its own interface
526   (therefore requiring the user to use safe iterators, although this
527   does not change correct user code) and will communicate with the
528   release-mode base class with only the underlying, unsafe,
529   release-mode iterators that the base class exports.</para>
531 <para> The debugging version of <code>std::list</code> will have the
532   following basic structure:</para>
534 <programlisting>
535 template&lt;typename _Tp, typename _Allocator = allocator&lt;_Tp&gt;
536   class debug-list :
537     public release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;,
538     public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; &gt;
539   {
540     typedef release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; _Base;
541     typedef debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;   _Self;
543   public:
544     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::iterator, _Self&gt;       iterator;
545     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::const_iterator, _Self&gt; const_iterator;
547     // duplicate std::list interface with debugging semantics
548   };
549 </programlisting>
550   </section>
551   </section>
553   <section xml:id="debug_mode.design.methods.precond" xreflabel="Precondition check"><info><title>Precondition Checking</title></info>
554     
555 <para>The debug mode operates primarily by checking the preconditions of
556   all standard library operations that it supports. Preconditions that
557   are always checked (regardless of whether or not we are in debug
558   mode) are checked via the <code>__check_xxx</code> macros defined
559   and documented in the source
560   file <code>include/debug/debug.h</code>. Preconditions that may or
561   may not be checked, depending on the debug-mode
562   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG</code>, are checked via
563   the <code>__requires_xxx</code> macros defined and documented in the
564   same source file. Preconditions are validated using any additional
565   information available at run-time, e.g., the containers that are
566   associated with a particular iterator, the position of the iterator
567   within those containers, the distance between two iterators that may
568   form a valid range, etc. In the absence of suitable information,
569   e.g., an input iterator that is not a safe iterator, these
570   precondition checks will silently succeed.</para>
572 <para>The majority of precondition checks use the aforementioned macros,
573   which have the secondary benefit of having prewritten debug
574   messages that use information about the current status of the
575   objects involved (e.g., whether an iterator is singular or what
576   sequence it is attached to) along with some static information
577   (e.g., the names of the function parameters corresponding to the
578   objects involved). When not using these macros, the debug mode uses
579   either the debug-mode assertion
580   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT</code> , its pedantic
581   cousin <code>_GLIBCXX_DEBUG_PEDASSERT</code>, or the assertion
582   check macro that supports more advance formulation of error
583   messages, <code>_GLIBCXX_DEBUG_VERIFY</code>. These macros are
584   documented more thoroughly in the debug mode source code.</para>
585   </section>
587   <section xml:id="debug_mode.design.methods.coexistence" xreflabel="Coexistence"><info><title>Release- and debug-mode coexistence</title></info>
588     
589 <para>The libstdc++ debug mode is the first debug mode we know of that
590   is able to provide the "Per-use recompilation" (4) guarantee, that
591   allows release-compiled and debug-compiled code to be linked and
592   executed together without causing unpredictable behavior. This
593   guarantee minimizes the recompilation that users are required to
594   perform, shortening the detect-compile-debug bug hunting cycle
595   and making the debug mode easier to incorporate into development
596   environments by minimizing dependencies.</para>
598 <para>Achieving link- and run-time coexistence is not a trivial
599   implementation task. To achieve this goal we use inline namespaces and
600   a complex organization of debug- and release-modes. The end result is
601   that we have achieved per-use recompilation but have had to give up
602   some checking of the <code>std::basic_string</code> class template
603   (namely, safe iterators).</para>
605  <section xml:id="methods.coexistence.compile" xreflabel="Compile"><info><title>Compile-time coexistence of release- and debug-mode components</title></info>
606    
608 <para>Both the release-mode components and the debug-mode
609   components need to exist within a single translation unit so that
610   the debug versions can wrap the release versions. However, only one
611   of these components should be user-visible at any particular
612   time with the standard name, e.g., <code>std::list</code>. </para>
614 <para>In release mode, we define only the release-mode version of the
615   component with its standard name and do not include the debugging
616   component at all. The release mode version is defined within the
617   namespace <code>std</code>. Minus the namespace associations, this
618   method leaves the behavior of release mode completely unchanged from
619   its behavior prior to the introduction of the libstdc++ debug
620   mode. Here's an example of what this ends up looking like, in
621   C++.</para>
623 <programlisting>
624 namespace std
626   template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
627     class list
628     {
629       // ...
630      };
631 } // namespace std
632 </programlisting>
634 <para>In debug mode we include the release-mode container (which is now
635 defined in the namespace <code>__cxx1998</code>) and also the
636 debug-mode container. The debug-mode container is defined within the
637 namespace <code>__debug</code>, which is associated with namespace
638 <code>std</code> via the C++11 namespace association language feature.  This
639 method allows the debug and release versions of the same component to
640 coexist at compile-time and link-time without causing an unreasonable
641 maintenance burden, while minimizing confusion. Again, this boils down
642 to C++ code as follows:</para>
644 <programlisting>
645 namespace std
647   namespace __cxx1998
648   {
649     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
650       class list
651       {
652         // ...
653       };
654   } // namespace __gnu_norm
656   namespace __debug
657   {
658     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
659       class list
660       : public __cxx1998::list&lt;_Tp, _Alloc&gt;,
661         public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;list&lt;_Tp, _Alloc&gt; &gt;
662       {
663         // ...
664       };
665   } // namespace __cxx1998
667   inline namespace __debug { }
669 </programlisting>
670  </section>
672  <section xml:id="methods.coexistence.link" xreflabel="Link"><info><title>Link- and run-time coexistence of release- and
673     debug-mode components</title></info>
674    
676 <para>Because each component has a distinct and separate release and
677 debug implementation, there is no issue with link-time
678 coexistence: the separate namespaces result in different mangled
679 names, and thus unique linkage.</para>
681 <para>However, components that are defined and used within the C++
682 standard library itself face additional constraints. For instance,
683 some of the member functions of <code> std::moneypunct</code> return
684 <code>std::basic_string</code>. Normally, this is not a problem, but
685 with a mixed mode standard library that could be using either
686 debug-mode or release-mode <code> basic_string</code> objects, things
687 get more complicated.  As the return value of a function is not
688 encoded into the mangled name, there is no way to specify a
689 release-mode or a debug-mode string. In practice, this results in
690 runtime errors. A simplified example of this problem is as follows.
691 </para>
693 <para> Take this translation unit, compiled in debug-mode: </para>
694 <programlisting>
695 // -D_GLIBCXX_DEBUG
696 #include &lt;string&gt;
698 std::string test02();
700 std::string test01()
702   return test02();
705 int main()
707   test01();
708   return 0;
710 </programlisting>
712 <para> ... and linked to this translation unit, compiled in release mode:</para>
714 <programlisting>
715 #include &lt;string&gt;
717 std::string
718 test02()
720   return std::string("toast");
722 </programlisting>
724 <para> For this reason we cannot easily provide safe iterators for
725   the <code>std::basic_string</code> class template, as it is present
726   throughout the C++ standard library. For instance, locale facets
727   define typedefs that include <code>basic_string</code>: in a mixed
728   debug/release program, should that typedef be based on the
729   debug-mode <code>basic_string</code> or the
730   release-mode <code>basic_string</code>? While the answer could be
731   "both", and the difference hidden via renaming a la the
732   debug/release containers, we must note two things about locale
733   facets:</para>
735 <orderedlist inheritnum="ignore" continuation="restarts">
736   <listitem><para>They exist as shared state: one can create a facet in one
737   translation unit and access the facet via the same type name in a
738   different translation unit. This means that we cannot have two
739   different versions of locale facets, because the types would not be
740   the same across debug/release-mode translation unit barriers.</para></listitem>
742   <listitem><para>They have virtual functions returning strings: these functions
743   mangle in the same way regardless of the mangling of their return
744   types (see above), and their precise signatures can be relied upon
745   by users because they may be overridden in derived classes.</para></listitem>
746 </orderedlist>
748 <para>With the design of libstdc++ debug mode, we cannot effectively hide
749   the differences between debug and release-mode strings from the
750   user. Failure to hide the differences may result in unpredictable
751   behavior, and for this reason we have opted to only
752   perform <code>basic_string</code> changes that do not require ABI
753   changes. The effect on users is expected to be minimal, as there are
754   simple alternatives (e.g., <code>__gnu_debug::basic_string</code>),
755   and the usability benefit we gain from the ability to mix debug- and
756   release-compiled translation units is enormous.</para>
757  </section>
759  <section xml:id="methods.coexistence.alt" xreflabel="Alternatives"><info><title>Alternatives for Coexistence</title></info>
762 <para>The coexistence scheme above was chosen over many alternatives,
763   including language-only solutions and solutions that also required
764   extensions to the C++ front end. The following is a partial list of
765   solutions, with justifications for our rejection of each.</para>
767 <itemizedlist>
768   <listitem><para><emphasis>Completely separate debug/release libraries</emphasis>: This is by
769   far the simplest implementation option, where we do not allow any
770   coexistence of debug- and release-compiled translation units in a
771   program. This solution has an extreme negative affect on usability,
772   because it is quite likely that some libraries an application
773   depends on cannot be recompiled easily. This would not meet
774   our <emphasis>usability</emphasis> or <emphasis>minimize recompilation</emphasis> criteria
775   well.</para></listitem>
777   <listitem><para><emphasis>Add a <code>Debug</code> boolean template parameter</emphasis>:
778   Partial specialization could be used to select the debug
779   implementation when <code>Debug == true</code>, and the state
780   of <code>_GLIBCXX_DEBUG</code> could decide whether the
781   default <code>Debug</code> argument is <code>true</code>
782   or <code>false</code>. This option would break conformance with the
783   C++ standard in both debug <emphasis>and</emphasis> release modes. This would
784   not meet our <emphasis>correctness</emphasis> criteria. </para></listitem>
786   <listitem><para><emphasis>Packaging a debug flag in the allocators</emphasis>: We could
787     reuse the <code>Allocator</code> template parameter of containers
788     by adding a sentinel wrapper <code>debug&lt;&gt;</code> that
789     signals the user's intention to use debugging, and pick up
790     the <code>debug&lt;&gt;</code> allocator wrapper in a partial
791     specialization. However, this has two drawbacks: first, there is a
792     conformance issue because the default allocator would not be the
793     standard-specified <code>std::allocator&lt;T&gt;</code>. Secondly
794     (and more importantly), users that specify allocators instead of
795     implicitly using the default allocator would not get debugging
796     containers. Thus this solution fails the <emphasis>correctness</emphasis>
797     criteria.</para></listitem>
799   <listitem><para><emphasis>Define debug containers in another namespace, and employ
800       a <code>using</code> declaration (or directive)</emphasis>: This is an
801       enticing option, because it would eliminate the need for
802       the <code>link_name</code> extension by aliasing the
803       templates. However, there is no true template aliasing mechanism
804       in C++, because both <code>using</code> directives and using
805       declarations disallow specialization. This method fails
806       the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
808   <listitem><para><emphasis> Use implementation-specific properties of anonymous
809     namespaces. </emphasis>
810     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00004.html">this post</link>.
811     This method fails the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
813   <listitem><para><emphasis>Extension: allow reopening on namespaces</emphasis>: This would
814     allow the debug mode to effectively alias the
815     namespace <code>std</code> to an internal namespace, such
816     as <code>__gnu_std_debug</code>, so that it is completely
817     separate from the release-mode <code>std</code> namespace. While
818     this will solve some renaming problems and ensure that
819     debug- and release-compiled code cannot be mixed unsafely, it ensures that
820     debug- and release-compiled code cannot be mixed at all. For
821     instance, the program would have two <code>std::cout</code>
822     objects! This solution would fails the <emphasis>minimize
823     recompilation</emphasis> requirement, because we would only be able to
824     support option (1) or (2).</para></listitem>
826   <listitem><para><emphasis>Extension: use link name</emphasis>: This option
827     involves complicated re-naming between debug-mode and release-mode
828     components at compile time, and then a g++ extension called <emphasis>
829     link name </emphasis> to recover the original names at link time. There
830     are two drawbacks to this approach. One, it's very verbose,
831     relying on macro renaming at compile time and several levels of
832     include ordering. Two, ODR issues remained with container member
833     functions taking no arguments in mixed-mode settings resulting in
834     equivalent link names, <code> vector::push_back() </code> being
835     one example.
836     See <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00177.html">proof-of-concept using link
837     name</link>. </para></listitem>
838 </itemizedlist>
840 <para>Other options may exist for implementing the debug mode, many of
841   which have probably been considered and others that may still be
842   lurking. This list may be expanded over time to include other
843   options that we could have implemented, but in all cases the full
844   ramifications of the approach (as measured against the design goals
845   for a libstdc++ debug mode) should be considered first. The DejaGNU
846   testsuite includes some testcases that check for known problems with
847   some solutions (e.g., the <code>using</code> declaration solution
848   that breaks user specialization), and additional testcases will be
849   added as we are able to identify other typical problem cases. These
850   test cases will serve as a benchmark by which we can compare debug
851   mode implementations.</para>
852  </section>
853   </section>
854   </section>
856   <section xml:id="debug_mode.design.other" xreflabel="Other"><info><title>Other Implementations</title></info>
857     
858     <para>
859     </para>
860 <para> There are several existing implementations of debug modes for C++
861   standard library implementations, although none of them directly
862   supports debugging for programs using libstdc++. The existing
863   implementations include:</para>
864 <itemizedlist>
865   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.cs.sjsu.edu/faculty/horstman/safestl.html">SafeSTL</link>:
866   SafeSTL was the original debugging version of the Standard Template
867   Library (STL), implemented by Cay S. Horstmann on top of the
868   Hewlett-Packard STL. Though it inspired much work in this area, it
869   has not been kept up-to-date for use with modern compilers or C++
870   standard library implementations.</para></listitem>
872   <listitem><para><link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="http://www.stlport.org/">STLport</link>: STLport is a free
873   implementation of the C++ standard library derived from the <link xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="https://web.archive.org/web/20171225062613/http://www.sgi.com/tech/stl/">SGI implementation</link>, and
874   ported to many other platforms. It includes a debug mode that uses a
875   wrapper model (that in some ways inspired the libstdc++ debug mode
876   design), although at the time of this writing the debug mode is
877   somewhat incomplete and meets only the "Full user recompilation" (2)
878   recompilation guarantee by requiring the user to link against a
879   different library in debug mode vs. release mode.</para></listitem>
881   <listitem><para>Metrowerks CodeWarrior: The C++ standard library
882   that ships with Metrowerks CodeWarrior includes a debug mode. It is
883   a full debug-mode implementation (including debugging for
884   CodeWarrior extensions) and is easy to use, although it meets only
885   the "Full recompilation" (1) recompilation
886   guarantee.</para></listitem>
887 </itemizedlist>
889   </section>
890 </section>
892 </chapter>