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6 <chapter id="manual.ext.debug_mode" xreflabel="Debug Mode">
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9 <chapterinfo>
10   <keywordset>
11     <keyword>
12       C++
13     </keyword>
14     <keyword>
15       library
16     </keyword>
17     <keyword>
18       debug
19     </keyword>
20   </keywordset>
21 </chapterinfo>
23 <title>Debug Mode</title>
25 <sect1 id="manual.ext.debug_mode.intro" xreflabel="Intro">
26   <title>Intro</title>
27   <para>
28     By default, libstdc++ is built with efficiency in mind, and
29     therefore performs little or no error checking that is not
30     required by the C++ standard. This means that programs that
31     incorrectly use the C++ standard library will exhibit behavior
32     that is not portable and may not even be predictable, because they
33     tread into implementation-specific or undefined behavior. To
34     detect some of these errors before they can become problematic,
35     libstdc++ offers a debug mode that provides additional checking of
36     library facilities, and will report errors in the use of libstdc++
37     as soon as they can be detected by emitting a description of the
38     problem to standard error and aborting the program.  This debug
39     mode is available with GCC 3.4.0 and later versions. 
40   </para>
42   <para>
43     The libstdc++ debug mode performs checking for many areas of the
44     C++ standard, but the focus is on checking interactions among
45     standard iterators, containers, and algorithms, including:
46   </para>
48   <itemizedlist>
49     <listitem><para><emphasis>Safe iterators</emphasis>: Iterators keep track of the
50     container whose elements they reference, so errors such as
51     incrementing a past-the-end iterator or dereferencing an iterator
52     that points to a container that has been destructed are diagnosed
53     immediately.</para></listitem>
54     
55     <listitem><para><emphasis>Algorithm preconditions</emphasis>: Algorithms attempt to
56     validate their input parameters to detect errors as early as
57     possible. For instance, the <code>set_intersection</code>
58     algorithm requires that its iterator
59     parameters <code>first1</code> and <code>last1</code> form a valid
60     iterator range, and that the sequence
61     [<code>first1</code>, <code>last1</code>) is sorted according to
62     the same predicate that was passed
63     to <code>set_intersection</code>; the libstdc++ debug mode will
64     detect an error if the sequence is not sorted or was sorted by a
65     different predicate.</para></listitem>
66   </itemizedlist>
68 </sect1>
70 <sect1 id="manual.ext.debug_mode.semantics" xreflabel="Semantics">
71   <title>Semantics</title>
72   <para>
73   </para>
75 <para>A program that uses the C++ standard library correctly
76   will maintain the same semantics under debug mode as it had with
77   the normal (release) library. All functional and exception-handling
78   guarantees made by the normal library also hold for the debug mode
79   library, with one exception: performance guarantees made by the
80   normal library may not hold in the debug mode library. For
81   instance, erasing an element in a <code>std::list</code> is a
82   constant-time operation in normal library, but in debug mode it is
83   linear in the number of iterators that reference that particular
84   list. So while your (correct) program won't change its results, it 
85   is likely to execute more slowly.</para>
87 <para>libstdc++ includes many extensions to the C++ standard library. In
88   some cases the extensions are obvious, such as the hashed
89   associative containers, whereas other extensions give predictable
90   results to behavior that would otherwise be undefined, such as
91   throwing an exception when a <code>std::basic_string</code> is
92   constructed from a NULL character pointer. This latter category also
93   includes implementation-defined and unspecified semantics, such as
94   the growth rate of a vector. Use of these extensions is not
95   considered incorrect, so code that relies on them will not be
96   rejected by debug mode. However, use of these extensions may affect
97   the portability of code to other implementations of the C++ standard
98   library, and is therefore somewhat hazardous. For this reason, the
99   libstdc++ debug mode offers a "pedantic" mode (similar to
100   GCC's <code>-pedantic</code> compiler flag) that attempts to emulate
101   the semantics guaranteed by the C++ standard. For
102   instance, constructing a <code>std::basic_string</code> with a NULL
103   character pointer would result in an exception under normal mode or
104   non-pedantic debug mode (this is a libstdc++ extension), whereas
105   under pedantic debug mode libstdc++ would signal an error. To enable
106   the pedantic debug mode, compile your program with
107   both <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>
108   and <code>-D_GLIBCXX_DEBUG_PEDANTIC</code> .
109   (N.B. In GCC 3.4.x and 4.0.0, due to a bug,
110   <code>-D_GLIBXX_DEBUG_PEDANTIC</code> was also needed. The problem has
111   been fixed in GCC 4.0.1 and later versions.) </para>
113 <para>The following library components provide extra debugging
114   capabilities in debug mode:</para>
115 <itemizedlist>
116   <listitem><para><code>std::basic_string</code> (no safe iterators and see note below)</para></listitem>
117   <listitem><para><code>std::bitset</code></para></listitem>
118   <listitem><para><code>std::deque</code></para></listitem>
119   <listitem><para><code>std::list</code></para></listitem>
120   <listitem><para><code>std::map</code></para></listitem>
121   <listitem><para><code>std::multimap</code></para></listitem>
122   <listitem><para><code>std::multiset</code></para></listitem>
123   <listitem><para><code>std::set</code></para></listitem>
124   <listitem><para><code>std::vector</code></para></listitem>
125   <listitem><para><code>std::unordered_map</code></para></listitem>
126   <listitem><para><code>std::unordered_multimap</code></para></listitem>
127   <listitem><para><code>std::unordered_set</code></para></listitem>
128   <listitem><para><code>std::unordered_multiset</code></para></listitem>
129 </itemizedlist>
131 <para>N.B. although there are precondition checks for some string operations,
132 e.g.  <code>operator[]</code>,
133 they will not always be run when using the <code>char</code> and
134 <code>wchar_t</code> specialisations (<code>std::string</code> and
135 <code>std::wstring</code>).  This is because libstdc++ uses GCC's
136 <code>extern template</code> extension to provide explicit instantiations
137 of <code>std::string</code> and <code>std::wstring</code>, and those
138 explicit instantiations don't include the debug-mode checks.  If the
139 containing functions are inlined then the checks will run, so compiling
140 with <code>-O1</code> might be enough to enable them.  Alternatively
141 <code>-D_GLIBCXX_EXTERN_TEMPLATE=0</code> will suppress the declarations
142 of the explicit instantiations and cause the functions to be instantiated
143 with the debug-mode checks included, but this is unsupported and not
144 guaranteed to work.  For full debug-mode support you can use the
145 <code>__gnu_debug::basic_string</code> debugging container directly,
146 which always works correctly.
147 </para>
149 </sect1>
151 <sect1 id="manual.ext.debug_mode.using" xreflabel="Using">
152   <title>Using</title>
153   <para>
154   </para>
155 <sect2 id="debug_mode.using.mode" xreflabel="Using Mode">
156   <title>Using the Debug Mode</title>
158 <para>To use the libstdc++ debug mode, compile your application with the
159   compiler flag <code>-D_GLIBCXX_DEBUG</code>. Note that this flag
160   changes the sizes and behavior of standard class templates such
161   as <code>std::vector</code>, and therefore you can only link code
162   compiled with debug mode and code compiled without debug mode if no
163   instantiation of a container is passed between the two translation
164   units.</para>
166 <para>By default, error messages are formatted to fit on lines of about
167   78 characters.  The environment variable
168   <code>GLIBCXX_DEBUG_MESSAGE_LENGTH</code> can be used to request a
169   different length.</para>
171 </sect2>
173 <sect2 id="debug_mode.using.specific" xreflabel="Using Specific">
174   <title>Using a Specific Debug Container</title>
175 <para>When it is not feasible to recompile your entire application, or
176   only specific containers need checking, debugging containers are
177   available as GNU extensions. These debugging containers are
178   functionally equivalent to the standard drop-in containers used in
179   debug mode, but they are available in a separate namespace as GNU
180   extensions and may be used in programs compiled with either release
181   mode or with debug mode. The
182   following table provides the names and headers of the debugging
183   containers:
184 </para>
186 <table frame='all'>
187 <title>Debugging Containers</title>
188 <tgroup cols='4' align='left' colsep='1' rowsep='1'>
189 <colspec colname='c1'></colspec>
190 <colspec colname='c2'></colspec>
191 <colspec colname='c3'></colspec>
192 <colspec colname='c4'></colspec>
194 <thead>
195   <row>
196     <entry>Container</entry>
197     <entry>Header</entry>
198     <entry>Debug container</entry>
199     <entry>Debug header</entry>
200   </row>
201 </thead>
202 <tbody>
203   <row>
204     <entry><classname>std::bitset</classname></entry>
205     <entry><filename class="headerfile">bitset</filename></entry>
206     <entry><classname>__gnu_debug::bitset</classname></entry>
207     <entry><filename class="headerfile">bitset</filename></entry>
208   </row>
209   <row>
210     <entry><classname>std::deque</classname></entry>
211     <entry><filename class="headerfile">deque</filename></entry>
212     <entry><classname>__gnu_debug::deque</classname></entry>
213     <entry><filename class="headerfile">deque</filename></entry>
214   </row>
215   <row>
216     <entry><classname>std::list</classname></entry>
217     <entry><filename class="headerfile">list</filename></entry>
218     <entry><classname>__gnu_debug::list</classname></entry>
219     <entry><filename class="headerfile">list</filename></entry>
220   </row>
221   <row>
222     <entry><classname>std::map</classname></entry>
223     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
224     <entry><classname>__gnu_debug::map</classname></entry>
225     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
226   </row>
227   <row>
228     <entry><classname>std::multimap</classname></entry>
229     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
230     <entry><classname>__gnu_debug::multimap</classname></entry>
231     <entry><filename class="headerfile">map</filename></entry>
232   </row>
233   <row>
234     <entry><classname>std::multiset</classname></entry>
235     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
236     <entry><classname>__gnu_debug::multiset</classname></entry>
237     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
238   </row>
239   <row>
240     <entry><classname>std::set</classname></entry>
241     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
242     <entry><classname>__gnu_debug::set</classname></entry>
243     <entry><filename class="headerfile">set</filename></entry>
244   </row>
245   <row>
246     <entry><classname>std::string</classname></entry>
247     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
248     <entry><classname>__gnu_debug::string</classname></entry>
249     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
250   </row>
251   <row>
252     <entry><classname>std::wstring</classname></entry>
253     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
254     <entry><classname>__gnu_debug::wstring</classname></entry>
255     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
256   </row>
257   <row>
258     <entry><classname>std::basic_string</classname></entry>
259     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
260     <entry><classname>__gnu_debug::basic_string</classname></entry>
261     <entry><filename class="headerfile">string</filename></entry>
262   </row>
263   <row>
264     <entry><classname>std::vector</classname></entry>
265     <entry><filename class="headerfile">vector</filename></entry>
266     <entry><classname>__gnu_debug::vector</classname></entry>
267     <entry><filename class="headerfile">vector</filename></entry>
268   </row>
269 </tbody>
270 </tgroup>
271 </table>
273 <para>In addition, when compiling in C++0x mode, these additional
274 containers have additional debug capability.
275 </para>
277 <table frame='all'>
278 <title>Debugging Containers C++0x</title>
279 <tgroup cols='4' align='left' colsep='1' rowsep='1'>
280 <colspec colname='c1'></colspec>
281 <colspec colname='c2'></colspec>
282 <colspec colname='c3'></colspec>
283 <colspec colname='c4'></colspec>
285 <thead>
286   <row>
287     <entry>Container</entry>
288     <entry>Header</entry>
289     <entry>Debug container</entry>
290     <entry>Debug header</entry>
291   </row>
292 </thead>
293 <tbody>
294     <row>
295     <entry><classname>std::unordered_map</classname></entry>
296     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
297     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_map</classname></entry>
298     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
299   </row>
300   <row>
301     <entry><classname>std::unordered_multimap</classname></entry>
302     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
303     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multimap</classname></entry>
304     <entry><filename class="headerfile">unordered_map</filename></entry>
305   </row>
306   <row>
307     <entry><classname>std::unordered_set</classname></entry>
308     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
309     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_set</classname></entry>
310     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
311   </row>
312   <row>
313     <entry><classname>std::unordered_multiset</classname></entry>
314     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
315     <entry><classname>__gnu_debug::unordered_multiset</classname></entry>
316     <entry><filename class="headerfile">unordered_set</filename></entry>
317   </row>
318 </tbody>
319 </tgroup>
320 </table>
321 </sect2>
322 </sect1>
324 <sect1 id="manual.ext.debug_mode.design" xreflabel="Design">
325   <title>Design</title>
326   <para>
327   </para>
328   <sect2 id="debug_mode.design.goals" xreflabel="Goals">
329     <title>Goals</title>
330     <para>
331     </para>
332 <para> The libstdc++ debug mode replaces unsafe (but efficient) standard
333   containers and iterators with semantically equivalent safe standard
334   containers and iterators to aid in debugging user programs. The
335   following goals directed the design of the libstdc++ debug mode:</para>
337   <itemizedlist>
339     <listitem><para><emphasis>Correctness</emphasis>: the libstdc++ debug mode must not change
340     the semantics of the standard library for all cases specified in
341     the ANSI/ISO C++ standard. The essence of this constraint is that
342     any valid C++ program should behave in the same manner regardless
343     of whether it is compiled with debug mode or release mode. In
344     particular, entities that are defined in namespace std in release
345     mode should remain defined in namespace std in debug mode, so that
346     legal specializations of namespace std entities will remain
347     valid. A program that is not valid C++ (e.g., invokes undefined
348     behavior) is not required to behave similarly, although the debug
349     mode will abort with a diagnostic when it detects undefined
350     behavior.</para></listitem>
352     <listitem><para><emphasis>Performance</emphasis>: the additional of the libstdc++ debug mode
353     must not affect the performance of the library when it is compiled
354     in release mode. Performance of the libstdc++ debug mode is
355     secondary (and, in fact, will be worse than the release
356     mode).</para></listitem>
358     <listitem><para><emphasis>Usability</emphasis>: the libstdc++ debug mode should be easy to
359     use. It should be easily incorporated into the user's development
360     environment (e.g., by requiring only a single new compiler switch)
361     and should produce reasonable diagnostics when it detects a
362     problem with the user program. Usability also involves detection
363     of errors when using the debug mode incorrectly, e.g., by linking
364     a release-compiled object against a debug-compiled object if in
365     fact the resulting program will not run correctly.</para></listitem>
367     <listitem><para><emphasis>Minimize recompilation</emphasis>: While it is expected that
368     users recompile at least part of their program to use debug
369     mode, the amount of recompilation affects the
370     detect-compile-debug turnaround time. This indirectly affects the
371     usefulness of the debug mode, because debugging some applications
372     may require rebuilding a large amount of code, which may not be
373     feasible when the suspect code may be very localized. There are
374     several levels of conformance to this requirement, each with its
375     own usability and implementation characteristics. In general, the
376     higher-numbered conformance levels are more usable (i.e., require
377     less recompilation) but are more complicated to implement than
378     the lower-numbered conformance levels. 
379       <orderedlist>
380         <listitem><para><emphasis>Full recompilation</emphasis>: The user must recompile his or
381         her entire application and all C++ libraries it depends on,
382         including the C++ standard library that ships with the
383         compiler. This must be done even if only a small part of the
384         program can use debugging features.</para></listitem>
386         <listitem><para><emphasis>Full user recompilation</emphasis>: The user must recompile
387         his or her entire application and all C++ libraries it depends
388         on, but not the C++ standard library itself. This must be done
389         even if only a small part of the program can use debugging
390         features. This can be achieved given a full recompilation
391         system by compiling two versions of the standard library when
392         the compiler is installed and linking against the appropriate
393         one, e.g., a multilibs approach.</para></listitem>
395         <listitem><para><emphasis>Partial recompilation</emphasis>: The user must recompile the
396         parts of his or her application and the C++ libraries it
397         depends on that will use the debugging facilities
398         directly. This means that any code that uses the debuggable
399         standard containers would need to be recompiled, but code
400         that does not use them (but may, for instance, use IOStreams)
401         would not have to be recompiled.</para></listitem>
403         <listitem><para><emphasis>Per-use recompilation</emphasis>: The user must recompile the
404         parts of his or her application and the C++ libraries it
405         depends on where debugging should occur, and any other code
406         that interacts with those containers. This means that a set of
407         translation units that accesses a particular standard
408         container instance may either be compiled in release mode (no
409         checking) or debug mode (full checking), but must all be
410         compiled in the same way; a translation unit that does not see
411         that standard container instance need not be recompiled. This
412         also means that a translation unit <emphasis>A</emphasis> that contains a
413         particular instantiation
414         (say, <code>std::vector&lt;int&gt;</code>) compiled in release
415         mode can be linked against a translation unit <emphasis>B</emphasis> that
416         contains the same instantiation compiled in debug mode (a
417         feature not present with partial recompilation). While this
418         behavior is technically a violation of the One Definition
419         Rule, this ability tends to be very important in
420         practice. The libstdc++ debug mode supports this level of
421         recompilation. </para></listitem>
423         <listitem><para><emphasis>Per-unit recompilation</emphasis>: The user must only
424         recompile the translation units where checking should occur,
425         regardless of where debuggable standard containers are
426         used. This has also been dubbed "<code>-g</code> mode",
427         because the <code>-g</code> compiler switch works in this way,
428         emitting debugging information at a per--translation-unit
429         granularity. We believe that this level of recompilation is in
430         fact not possible if we intend to supply safe iterators, leave
431         the program semantics unchanged, and not regress in
432         performance under release mode because we cannot associate
433         extra information with an iterator (to form a safe iterator)
434         without either reserving that space in release mode
435         (performance regression) or allocating extra memory associated
436         with each iterator with <code>new</code> (changes the program
437         semantics).</para></listitem>
438       </orderedlist>
439     </para></listitem>
440   </itemizedlist>
441   </sect2>
443   <sect2 id="debug_mode.design.methods" xreflabel="Methods">
444     <title>Methods</title>
445     <para>
446     </para>
447 <para>This section provides an overall view of the design of the
448   libstdc++ debug mode and details the relationship between design
449   decisions and the stated design goals.</para>
451   <sect3 id="debug_mode.design.methods.wrappers" xreflabel="Method Wrapper">
452     <title>The Wrapper Model</title>
453 <para>The libstdc++ debug mode uses a wrapper model where the
454   debugging versions of library components (e.g., iterators and
455   containers) form a layer on top of the release versions of the
456   library components. The debugging components first verify that the
457   operation is correct (aborting with a diagnostic if an error is
458   found) and will then forward to the underlying release-mode
459   container that will perform the actual work. This design decision
460   ensures that we cannot regress release-mode performance (because the
461   release-mode containers are left untouched) and partially
462   enables <link linkend="methods.coexistence.link">mixing debug and
463   release code</link> at link time, although that will not be
464   discussed at this time.</para>
466 <para>Two types of wrappers are used in the implementation of the debug
467   mode: container wrappers and iterator wrappers. The two types of
468   wrappers interact to maintain relationships between iterators and
469   their associated containers, which are necessary to detect certain
470   types of standard library usage errors such as dereferencing
471   past-the-end iterators or inserting into a container using an
472   iterator from a different container.</para>
474   <sect4 id="debug_mode.design.methods.safe_iter" xreflabel="Method Safe Iter">
475     <title>Safe Iterators</title>
476 <para>Iterator wrappers provide a debugging layer over any iterator that
477   is attached to a particular container, and will manage the
478   information detailing the iterator's state (singular,
479   dereferenceable, etc.) and tracking the container to which the
480   iterator is attached. Because iterators have a well-defined, common
481   interface the iterator wrapper is implemented with the iterator
482   adaptor class template <code>__gnu_debug::_Safe_iterator</code>,
483   which takes two template parameters:</para>
485 <itemizedlist>
486   <listitem><para><code>Iterator</code>: The underlying iterator type, which must
487     be either the <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code>
488     typedef from the sequence type this iterator can reference.</para></listitem>
489   
490   <listitem><para><code>Sequence</code>: The type of sequence that this iterator
491   references. This sequence must be a safe sequence (discussed below)
492   whose <code>iterator</code> or <code>const_iterator</code> typedef
493   is the type of the safe iterator.</para></listitem>
494 </itemizedlist>
495   </sect4>
497   <sect4 id="debug_mode.design.methods.safe_seq" xreflabel="Method Safe Seq">
498     <title>Safe Sequences (Containers)</title>
500 <para>Container wrappers provide a debugging layer over a particular
501   container type. Because containers vary greatly in the member
502   functions they support and the semantics of those member functions
503   (especially in the area of iterator invalidation), container
504   wrappers are tailored to the container they reference, e.g., the
505   debugging version of <code>std::list</code> duplicates the entire
506   interface of <code>std::list</code>, adding additional semantic
507   checks and then forwarding operations to the
508   real <code>std::list</code> (a public base class of the debugging
509   version) as appropriate. However, all safe containers inherit from
510   the class template <code>__gnu_debug::_Safe_sequence</code>,
511   instantiated with the type of the safe container itself (an instance
512   of the curiously recurring template pattern).</para>
514 <para>The iterators of a container wrapper will be 
515   <link linkend="debug_mode.design.methods.safe_iter">safe
516   iterators</link> that reference sequences of this type and wrap the
517   iterators provided by the release-mode base class. The debugging
518   container will use only the safe iterators within its own interface
519   (therefore requiring the user to use safe iterators, although this
520   does not change correct user code) and will communicate with the
521   release-mode base class with only the underlying, unsafe,
522   release-mode iterators that the base class exports.</para>
524 <para> The debugging version of <code>std::list</code> will have the
525   following basic structure:</para>
527 <programlisting>
528 template&lt;typename _Tp, typename _Allocator = allocator&lt;_Tp&gt;
529   class debug-list :
530     public release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;,
531     public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; &gt;
532   {
533     typedef release-list&lt;_Tp, _Allocator&gt; _Base;
534     typedef debug-list&lt;_Tp, _Allocator&gt;   _Self;
536   public:
537     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::iterator, _Self&gt;       iterator;
538     typedef __gnu_debug::_Safe_iterator&lt;typename _Base::const_iterator, _Self&gt; const_iterator;
540     // duplicate std::list interface with debugging semantics
541   };
542 </programlisting>
543   </sect4>
544   </sect3>
546   <sect3 id="debug_mode.design.methods.precond" xreflabel="Precondition check">
547     <title>Precondition Checking</title>
548 <para>The debug mode operates primarily by checking the preconditions of
549   all standard library operations that it supports. Preconditions that
550   are always checked (regardless of whether or not we are in debug
551   mode) are checked via the <code>__check_xxx</code> macros defined
552   and documented in the source
553   file <code>include/debug/debug.h</code>. Preconditions that may or
554   may not be checked, depending on the debug-mode
555   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG</code>, are checked via
556   the <code>__requires_xxx</code> macros defined and documented in the
557   same source file. Preconditions are validated using any additional
558   information available at run-time, e.g., the containers that are
559   associated with a particular iterator, the position of the iterator
560   within those containers, the distance between two iterators that may
561   form a valid range, etc. In the absence of suitable information,
562   e.g., an input iterator that is not a safe iterator, these
563   precondition checks will silently succeed.</para>
565 <para>The majority of precondition checks use the aforementioned macros,
566   which have the secondary benefit of having prewritten debug
567   messages that use information about the current status of the
568   objects involved (e.g., whether an iterator is singular or what
569   sequence it is attached to) along with some static information
570   (e.g., the names of the function parameters corresponding to the
571   objects involved). When not using these macros, the debug mode uses
572   either the debug-mode assertion
573   macro <code>_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT</code> , its pedantic
574   cousin <code>_GLIBCXX_DEBUG_PEDASSERT</code>, or the assertion
575   check macro that supports more advance formulation of error
576   messages, <code>_GLIBCXX_DEBUG_VERIFY</code>. These macros are
577   documented more thoroughly in the debug mode source code.</para>
578   </sect3>
580   <sect3 id="debug_mode.design.methods.coexistence" xreflabel="Coexistence">
581     <title>Release- and debug-mode coexistence</title>
582 <para>The libstdc++ debug mode is the first debug mode we know of that
583   is able to provide the "Per-use recompilation" (4) guarantee, that
584   allows release-compiled and debug-compiled code to be linked and
585   executed together without causing unpredictable behavior. This
586   guarantee minimizes the recompilation that users are required to
587   perform, shortening the detect-compile-debug bug hunting cycle
588   and making the debug mode easier to incorporate into development
589   environments by minimizing dependencies.</para>
591 <para>Achieving link- and run-time coexistence is not a trivial
592   implementation task. To achieve this goal we required a small
593   extension to the GNU C++ compiler (since incorporated into the C++0x language specification, described in the GCC Manual for the C++ language as
594   <ulink url="http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Namespace-Association.html#Namespace-Association">namespace
595   association</ulink>), and a complex organization of debug- and
596   release-modes. The end result is that we have achieved per-use
597   recompilation but have had to give up some checking of the
598   <code>std::basic_string</code> class template (namely, safe
599   iterators).
600 </para>
602  <sect4 id="methods.coexistence.compile" xreflabel="Compile">
603    <title>Compile-time coexistence of release- and debug-mode components</title>
605 <para>Both the release-mode components and the debug-mode
606   components need to exist within a single translation unit so that
607   the debug versions can wrap the release versions. However, only one
608   of these components should be user-visible at any particular
609   time with the standard name, e.g., <code>std::list</code>. </para>
611 <para>In release mode, we define only the release-mode version of the
612   component with its standard name and do not include the debugging
613   component at all. The release mode version is defined within the
614   namespace <code>std</code>. Minus the namespace associations, this
615   method leaves the behavior of release mode completely unchanged from
616   its behavior prior to the introduction of the libstdc++ debug
617   mode. Here's an example of what this ends up looking like, in
618   C++.</para>
620 <programlisting>
621 namespace std
623   template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
624     class list
625     {
626       // ...
627      };
628 } // namespace std
629 </programlisting>
630   
631 <para>In debug mode we include the release-mode container (which is now
632 defined in the namespace <code>__norm</code>) and also the
633 debug-mode container. The debug-mode container is defined within the
634 namespace <code>__debug</code>, which is associated with namespace
635 <code>std</code> via the C++0x namespace association language feature.  This
636 method allows the debug and release versions of the same component to
637 coexist at compile-time and link-time without causing an unreasonable
638 maintenance burden, while minimizing confusion. Again, this boils down
639 to C++ code as follows:</para>
641 <programlisting>
642 namespace std
644   namespace __norm
645   {
646     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
647       class list
648       {
649         // ...
650       };
651   } // namespace __gnu_norm
653   namespace __debug
654   {
655     template&lt;typename _Tp, typename _Alloc = allocator&lt;_Tp&gt; &gt;
656       class list
657       : public __norm::list&lt;_Tp, _Alloc&gt;,
658         public __gnu_debug::_Safe_sequence&lt;list&lt;_Tp, _Alloc&gt; &gt;
659       {
660         // ...
661       };
662   } // namespace __norm
664   // namespace __debug __attribute__ ((strong));
665   inline namespace __debug { }
667 </programlisting>
668  </sect4>
670  <sect4 id="methods.coexistence.link" xreflabel="Link">
671    <title>Link- and run-time coexistence of release- and
672     debug-mode components</title>
674 <para>Because each component has a distinct and separate release and
675 debug implementation, there is no issue with link-time
676 coexistence: the separate namespaces result in different mangled
677 names, and thus unique linkage.</para>
679 <para>However, components that are defined and used within the C++
680 standard library itself face additional constraints. For instance,
681 some of the member functions of <code> std::moneypunct</code> return
682 <code>std::basic_string</code>. Normally, this is not a problem, but
683 with a mixed mode standard library that could be using either
684 debug-mode or release-mode <code> basic_string</code> objects, things
685 get more complicated.  As the return value of a function is not
686 encoded into the mangled name, there is no way to specify a
687 release-mode or a debug-mode string. In practice, this results in
688 runtime errors. A simplified example of this problem is as follows.
689 </para>
691 <para> Take this translation unit, compiled in debug-mode: </para>
692 <programlisting>
693 // -D_GLIBCXX_DEBUG
694 #include &lt;string&gt;
696 std::string test02();
698 std::string test01()
700   return test02();
703 int main()
705   test01();
706   return 0;
708 </programlisting>
710 <para> ... and linked to this translation unit, compiled in release mode:</para>
712 <programlisting>
713 #include &lt;string&gt;
715 std::string
716 test02()
718   return std::string("toast");
720 </programlisting>
722 <para> For this reason we cannot easily provide safe iterators for
723   the <code>std::basic_string</code> class template, as it is present
724   throughout the C++ standard library. For instance, locale facets
725   define typedefs that include <code>basic_string</code>: in a mixed
726   debug/release program, should that typedef be based on the
727   debug-mode <code>basic_string</code> or the
728   release-mode <code>basic_string</code>? While the answer could be
729   "both", and the difference hidden via renaming a la the
730   debug/release containers, we must note two things about locale
731   facets:</para>
733 <orderedlist>
734   <listitem><para>They exist as shared state: one can create a facet in one
735   translation unit and access the facet via the same type name in a
736   different translation unit. This means that we cannot have two
737   different versions of locale facets, because the types would not be
738   the same across debug/release-mode translation unit barriers.</para></listitem>
740   <listitem><para>They have virtual functions returning strings: these functions
741   mangle in the same way regardless of the mangling of their return
742   types (see above), and their precise signatures can be relied upon
743   by users because they may be overridden in derived classes.</para></listitem>
744 </orderedlist>
746 <para>With the design of libstdc++ debug mode, we cannot effectively hide
747   the differences between debug and release-mode strings from the
748   user. Failure to hide the differences may result in unpredictable
749   behavior, and for this reason we have opted to only
750   perform <code>basic_string</code> changes that do not require ABI
751   changes. The effect on users is expected to be minimal, as there are
752   simple alternatives (e.g., <code>__gnu_debug::basic_string</code>),
753   and the usability benefit we gain from the ability to mix debug- and
754   release-compiled translation units is enormous.</para>
755  </sect4>
757  <sect4 id="methods.coexistence.alt" xreflabel="Alternatives">
758 <title>Alternatives for Coexistence</title>
760 <para>The coexistence scheme above was chosen over many alternatives,
761   including language-only solutions and solutions that also required
762   extensions to the C++ front end. The following is a partial list of
763   solutions, with justifications for our rejection of each.</para>
765 <itemizedlist>
766   <listitem><para><emphasis>Completely separate debug/release libraries</emphasis>: This is by
767   far the simplest implementation option, where we do not allow any
768   coexistence of debug- and release-compiled translation units in a
769   program. This solution has an extreme negative affect on usability,
770   because it is quite likely that some libraries an application
771   depends on cannot be recompiled easily. This would not meet
772   our <emphasis>usability</emphasis> or <emphasis>minimize recompilation</emphasis> criteria
773   well.</para></listitem>
775   <listitem><para><emphasis>Add a <code>Debug</code> boolean template parameter</emphasis>:
776   Partial specialization could be used to select the debug
777   implementation when <code>Debug == true</code>, and the state
778   of <code>_GLIBCXX_DEBUG</code> could decide whether the
779   default <code>Debug</code> argument is <code>true</code>
780   or <code>false</code>. This option would break conformance with the
781   C++ standard in both debug <emphasis>and</emphasis> release modes. This would
782   not meet our <emphasis>correctness</emphasis> criteria. </para></listitem>
784   <listitem><para><emphasis>Packaging a debug flag in the allocators</emphasis>: We could
785     reuse the <code>Allocator</code> template parameter of containers
786     by adding a sentinel wrapper <code>debug&lt;&gt;</code> that
787     signals the user's intention to use debugging, and pick up
788     the <code>debug&lt;&gt;</code> allocator wrapper in a partial
789     specialization. However, this has two drawbacks: first, there is a
790     conformance issue because the default allocator would not be the
791     standard-specified <code>std::allocator&lt;T&gt;</code>. Secondly
792     (and more importantly), users that specify allocators instead of
793     implicitly using the default allocator would not get debugging
794     containers. Thus this solution fails the <emphasis>correctness</emphasis>
795     criteria.</para></listitem>
797   <listitem><para><emphasis>Define debug containers in another namespace, and employ
798       a <code>using</code> declaration (or directive)</emphasis>: This is an
799       enticing option, because it would eliminate the need for
800       the <code>link_name</code> extension by aliasing the
801       templates. However, there is no true template aliasing mechanism
802       in C++, because both <code>using</code> directives and using
803       declarations disallow specialization. This method fails
804       the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
806   <listitem><para><emphasis> Use implementation-specific properties of anonymous
807     namespaces. </emphasis>
808     See <ulink url="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00004.html"> this post
809     </ulink>
810     This method fails the <emphasis>correctness</emphasis> criteria.</para></listitem>
812   <listitem><para><emphasis>Extension: allow reopening on namespaces</emphasis>: This would
813     allow the debug mode to effectively alias the
814     namespace <code>std</code> to an internal namespace, such
815     as <code>__gnu_std_debug</code>, so that it is completely
816     separate from the release-mode <code>std</code> namespace. While
817     this will solve some renaming problems and ensure that
818     debug- and release-compiled code cannot be mixed unsafely, it ensures that
819     debug- and release-compiled code cannot be mixed at all. For
820     instance, the program would have two <code>std::cout</code>
821     objects! This solution would fails the <emphasis>minimize
822     recompilation</emphasis> requirement, because we would only be able to
823     support option (1) or (2).</para></listitem>
825   <listitem><para><emphasis>Extension: use link name</emphasis>: This option involves
826     complicated re-naming between debug-mode and release-mode
827     components at compile time, and then a g++ extension called <emphasis>
828     link name </emphasis> to recover the original names at link time. There
829     are two drawbacks to this approach. One, it's very verbose,
830     relying on macro renaming at compile time and several levels of
831     include ordering. Two, ODR issues remained with container member
832     functions taking no arguments in mixed-mode settings resulting in
833     equivalent link names, <code> vector::push_back() </code> being
834     one example. 
835     See <ulink url="http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2003-08/msg00177.html">link
836     name</ulink> </para></listitem>
837 </itemizedlist>
839 <para>Other options may exist for implementing the debug mode, many of
840   which have probably been considered and others that may still be
841   lurking. This list may be expanded over time to include other
842   options that we could have implemented, but in all cases the full
843   ramifications of the approach (as measured against the design goals
844   for a libstdc++ debug mode) should be considered first. The DejaGNU
845   testsuite includes some testcases that check for known problems with
846   some solutions (e.g., the <code>using</code> declaration solution
847   that breaks user specialization), and additional testcases will be
848   added as we are able to identify other typical problem cases. These
849   test cases will serve as a benchmark by which we can compare debug
850   mode implementations.</para>
851  </sect4>
852   </sect3>
853   </sect2>  
855   <sect2 id="debug_mode.design.other" xreflabel="Other">
856     <title>Other Implementations</title>
857     <para>
858     </para>
859 <para> There are several existing implementations of debug modes for C++
860   standard library implementations, although none of them directly
861   supports debugging for programs using libstdc++. The existing
862   implementations include:</para>
863 <itemizedlist>
864   <listitem><para><ulink url="http://www.mathcs.sjsu.edu/faculty/horstman/safestl.html">SafeSTL</ulink>:
865   SafeSTL was the original debugging version of the Standard Template
866   Library (STL), implemented by Cay S. Horstmann on top of the
867   Hewlett-Packard STL. Though it inspired much work in this area, it
868   has not been kept up-to-date for use with modern compilers or C++
869   standard library implementations.</para></listitem>
871   <listitem><para><ulink url="http://www.stlport.org/">STLport</ulink>: STLport is a free
872   implementation of the C++ standard library derived from the <ulink url="http://www.sgi.com/tech/stl/">SGI implementation</ulink>, and
873   ported to many other platforms. It includes a debug mode that uses a
874   wrapper model (that in some ways inspired the libstdc++ debug mode
875   design), although at the time of this writing the debug mode is
876   somewhat incomplete and meets only the "Full user recompilation" (2)
877   recompilation guarantee by requiring the user to link against a
878   different library in debug mode vs. release mode.</para></listitem>
880   <listitem><para>Metrowerks CodeWarrior: The C++ standard library
881   that ships with Metrowerks CodeWarrior includes a debug mode. It is
882   a full debug-mode implementation (including debugging for
883   CodeWarrior extensions) and is easy to use, although it meets only
884   the "Full recompilation" (1) recompilation
885   guarantee.</para></listitem>
886 </itemizedlist>
888   </sect2>  
889 </sect1>
891 </chapter>