docs/GetElementPtr.html

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"
   2                       "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
   3 <html>
   4 <head>
   5   <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
   6   <title>The Often Misunderstood GEP Instruction</title>
   7   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
   8   <style type="text/css">
   9     TABLE   { text-align: left; border: 1px solid black; border-collapse: collapse; margin: 0 0 0 0; }
  10   </style>
  11 </head>
  12 <body>
  13
  14 <h1>
  15   The Often Misunderstood GEP Instruction
  16 </h1>
  17
  18 <ol>
  19   <li><a href="#intro">Introduction</a></li>
  20   <li><a href="#addresses">Address Computation</a>
  21   <ol>
  22     <li><a href="#extra_index">Why is the extra 0 index required?</a></li>
  23     <li><a href="#deref">What is dereferenced by GEP?</a></li>
  24     <li><a href="#firstptr">Why can you index through the first pointer but not
  25       subsequent ones?</a></li>
  26     <li><a href="#lead0">Why don't GEP x,0,0,1 and GEP x,1 alias? </a></li>
  27     <li><a href="#trail0">Why do GEP x,1,0,0 and GEP x,1 alias? </a></li>
  28     <li><a href="#vectors">Can GEP index into vector elements?</a>
  29     <li><a href="#addrspace">What effect do address spaces have on GEPs?</a>
  30     <li><a href="#int">How is GEP different from ptrtoint, arithmetic, and inttoptr?</a></li>
  31     <li><a href="#be">I'm writing a backend for a target which needs custom lowering for GEP. How do I do this?</a>
  32     <li><a href="#vla">How does VLA addressing work with GEPs?</a>
  33   </ol></li>
  34   <li><a href="#rules">Rules</a>
  35   <ol>
  36     <li><a href="#bounds">What happens if an array index is out of bounds?</a>
  37     <li><a href="#negative">Can array indices be negative?</a>
  38     <li><a href="#compare">Can I compare two values computed with GEPs?</a>
  39     <li><a href="#types">Can I do GEP with a different pointer type than the type of the underlying object?</a>
  40     <li><a href="#null">Can I cast an object's address to integer and add it to null?</a>
  41     <li><a href="#ptrdiff">Can I compute the distance between two objects, and add that value to one address to compute the other address?</a>
  42     <li><a href="#tbaa">Can I do type-based alias analysis on LLVM IR?</a>
  43     <li><a href="#overflow">What happens if a GEP computation overflows?</a>
  44     <li><a href="#check">How can I tell if my front-end is following the rules?</a>
  45   </ol></li>
  46   <li><a href="#rationale">Rationale</a>
  47   <ol>
  48     <li><a href="#goals">Why is GEP designed this way?</a></li>
  49     <li><a href="#i32">Why do struct member indices always use i32?</a></li>
  50     <li><a href="#uglygep">What's an uglygep?</a>
  51   </ol></li>
  52   <li><a href="#summary">Summary</a></li>
  53 </ol>
  54
  55 <div class="doc_author">
  56   <p>Written by: <a href="mailto:rspencer@reidspencer.com">Reid Spencer</a>.</p>
  57 </div>
  58
  59
  60 <!-- *********************************************************************** -->
  61 <h2><a name="intro">Introduction</a></h2>
  62 <!-- *********************************************************************** -->
  63
  64 <div class="doc_text">
  65   <p>This document seeks to dispel the mystery and confusion surrounding LLVM's
  66   <a href="LangRef.html#i_getelementptr">GetElementPtr</a> (GEP) instruction.
  67   Questions about the wily GEP instruction are
  68   probably the most frequently occurring questions once a developer gets down to
  69   coding with LLVM. Here we lay out the sources of confusion and show that the
  70   GEP instruction is really quite simple.
  71   </p>
  72 </div>
  73
  74 <!-- *********************************************************************** -->
  75 <h2><a name="addresses">Address Computation</a></h2>
  76 <!-- *********************************************************************** -->
  77 <div class="doc_text">
  78   <p>When people are first confronted with the GEP instruction, they tend to
  79   relate it to known concepts from other programming paradigms, most notably C
  80   array indexing and field selection. GEP closely resembles C array indexing
  81   and field selection, however it's is a little different and this leads to
  82   the following questions.</p>
  83 </div>
  84
  85 <!-- *********************************************************************** -->
  86 <h3>
  87   <a name="firstptr">What is the first index of the GEP instruction?</a>
  88 </h3>
  89 <div class="doc_text">
  90   <p>Quick answer: The index stepping through the first operand.</p>
  91   <p>The confusion with the first index usually arises from thinking about
  92   the GetElementPtr instruction as if it was a C index operator. They aren't the
  93   same. For example, when we write, in "C":</p>
  94
  95 <div class="doc_code">
  96 <pre>
  97 AType *Foo;
  98 ...
  99 X = &amp;Foo-&gt;F;
 100 </pre>
 101 </div>
 102
 103   <p>it is natural to think that there is only one index, the selection of the
 104   field <tt>F</tt>.  However, in this example, <tt>Foo</tt> is a pointer. That
 105   pointer must be indexed explicitly in LLVM. C, on the other hand, indices
 106   through it transparently.  To arrive at the same address location as the C
 107   code, you would provide the GEP instruction with two index operands. The
 108   first operand indexes through the pointer; the second operand indexes the
 109   field <tt>F</tt> of the structure, just as if you wrote:</p>
 110
 111 <div class="doc_code">
 112 <pre>
 113 X = &amp;Foo[0].F;
 114 </pre>
 115 </div>
 116
 117   <p>Sometimes this question gets rephrased as:</p>
 118   <blockquote><p><i>Why is it okay to index through the first pointer, but
 119       subsequent pointers won't be dereferenced?</i></p></blockquote>
 120   <p>The answer is simply because memory does not have to be accessed to
 121   perform the computation. The first operand to the GEP instruction must be a
 122   value of a pointer type. The value of the pointer is provided directly to
 123   the GEP instruction as an operand without any need for accessing memory. It
 124   must, therefore be indexed and requires an index operand. Consider this
 125   example:</p>
 126
 127 <div class="doc_code">
 128 <pre>
 129 struct munger_struct {
 130   int f1;
 131   int f2;
 132 };
 133 void munge(struct munger_struct *P) {
 134   P[0].f1 = P[1].f1 + P[2].f2;
 135 }
 136 ...
 137 munger_struct Array[3];
 138 ...
 139 munge(Array);
 140 </pre>
 141 </div>
 142
 143   <p>In this "C" example, the front end compiler (llvm-gcc) will generate three
 144   GEP instructions for the three indices through "P" in the assignment
 145   statement.  The function argument <tt>P</tt> will be the first operand of each
 146   of these GEP instructions.  The second operand indexes through that pointer.
 147   The third operand will be the field offset into the
 148   <tt>struct munger_struct</tt> type,  for either the <tt>f1</tt> or
 149   <tt>f2</tt> field. So, in LLVM assembly the <tt>munge</tt> function looks
 150   like:</p>
 151
 152 <div class="doc_code">
 153 <pre>
 154 void %munge(%struct.munger_struct* %P) {
 155 entry:
 156   %tmp = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 1, i32 0
 157   %tmp = load i32* %tmp
 158   %tmp6 = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 2, i32 1
 159   %tmp7 = load i32* %tmp6
 160   %tmp8 = add i32 %tmp7, %tmp
 161   %tmp9 = getelementptr %struct.munger_struct* %P, i32 0, i32 0
 162   store i32 %tmp8, i32* %tmp9
 163   ret void
 164 }
 165 </pre>
 166 </div>
 167
 168   <p>In each case the first operand is the pointer through which the GEP
 169   instruction starts. The same is true whether the first operand is an
 170   argument, allocated memory, or a global variable. </p>
 171   <p>To make this clear, let's consider a more obtuse example:</p>
 172
 173 <div class="doc_code">
 174 <pre>
 175 %MyVar = uninitialized global i32
 176 ...
 177 %idx1 = getelementptr i32* %MyVar, i64 0
 178 %idx2 = getelementptr i32* %MyVar, i64 1
 179 %idx3 = getelementptr i32* %MyVar, i64 2
 180 </pre>
 181 </div>
 182
 183   <p>These GEP instructions are simply making address computations from the
 184   base address of <tt>MyVar</tt>.  They compute, as follows (using C syntax):
 185   </p>
 186
 187 <div class="doc_code">
 188 <pre>
 189 idx1 = (char*) &amp;MyVar + 0
 190 idx2 = (char*) &amp;MyVar + 4
 191 idx3 = (char*) &amp;MyVar + 8
 192 </pre>
 193 </div>
 194
 195   <p>Since the type <tt>i32</tt> is known to be four bytes long, the indices
 196   0, 1 and 2 translate into memory offsets of 0, 4, and 8, respectively. No
 197   memory is accessed to make these computations because the address of
 198   <tt>%MyVar</tt> is passed directly to the GEP instructions.</p>
 199   <p>The obtuse part of this example is in the cases of <tt>%idx2</tt> and
 200   <tt>%idx3</tt>. They result in the computation of addresses that point to
 201   memory past the end of the <tt>%MyVar</tt> global, which is only one
 202   <tt>i32</tt> long, not three <tt>i32</tt>s long.  While this is legal in LLVM,
 203   it is inadvisable because any load or store with the pointer that results
 204   from these GEP instructions would produce undefined results.</p>
 205 </div>
 206
 207 <!-- *********************************************************************** -->
 208 <h3>
 209   <a name="extra_index">Why is the extra 0 index required?</a>
 210 </h3>
 211 <!-- *********************************************************************** -->
 212 <div class="doc_text">
 213   <p>Quick answer: there are no superfluous indices.</p>
 214   <p>This question arises most often when the GEP instruction is applied to a
 215   global variable which is always a pointer type. For example, consider
 216   this:</p>
 217
 218 <div class="doc_code">
 219 <pre>
 220 %MyStruct = uninitialized global { float*, i32 }
 221 ...
 222 %idx = getelementptr { float*, i32 }* %MyStruct, i64 0, i32 1
 223 </pre>
 224 </div>
 225
 226   <p>The GEP above yields an <tt>i32*</tt> by indexing the <tt>i32</tt> typed
 227   field of the structure <tt>%MyStruct</tt>. When people first look at it, they
 228   wonder why the <tt>i64 0</tt> index is needed. However, a closer inspection
 229   of how globals and GEPs work reveals the need. Becoming aware of the following
 230   facts will dispel the confusion:</p>
 231   <ol>
 232     <li>The type of <tt>%MyStruct</tt> is <i>not</i> <tt>{ float*, i32 }</tt>
 233     but rather <tt>{ float*, i32 }*</tt>. That is, <tt>%MyStruct</tt> is a
 234     pointer to a structure containing a pointer to a <tt>float</tt> and an
 235     <tt>i32</tt>.</li>
 236     <li>Point #1 is evidenced by noticing the type of the first operand of
 237     the GEP instruction (<tt>%MyStruct</tt>) which is
 238     <tt>{ float*, i32 }*</tt>.</li>
 239     <li>The first index, <tt>i64 0</tt> is required to step over the global
 240     variable <tt>%MyStruct</tt>.  Since the first argument to the GEP
 241     instruction must always be a value of pointer type, the first index
 242     steps through that pointer. A value of 0 means 0 elements offset from that
 243     pointer.</li>
 244     <li>The second index, <tt>i32 1</tt> selects the second field of the
 245     structure (the <tt>i32</tt>). </li>
 246   </ol>
 247 </div>
 248
 249 <!-- *********************************************************************** -->
 250 <h3>
 251   <a name="deref">What is dereferenced by GEP?</a>
 252 </h3>
 253 <div class="doc_text">
 254   <p>Quick answer: nothing.</p>
 255   <p>The GetElementPtr instruction dereferences nothing. That is, it doesn't
 256   access memory in any way. That's what the Load and Store instructions are for.
 257   GEP is only involved in the computation of addresses. For example, consider
 258   this:</p>
 259
 260 <div class="doc_code">
 261 <pre>
 262 %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ]* }
 263 ...
 264 %idx = getelementptr { [40 x i32]* }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 0, i64 17
 265 </pre>
 266 </div>
 267
 268   <p>In this example, we have a global variable, <tt>%MyVar</tt> that is a
 269   pointer to a structure containing a pointer to an array of 40 ints. The
 270   GEP instruction seems to be accessing the 18th integer of the structure's
 271   array of ints. However, this is actually an illegal GEP instruction. It
 272   won't compile. The reason is that the pointer in the structure <i>must</i>
 273   be dereferenced in order to index into the array of 40 ints. Since the
 274   GEP instruction never accesses memory, it is illegal.</p>
 275   <p>In order to access the 18th integer in the array, you would need to do the
 276   following:</p>
 277
 278 <div class="doc_code">
 279 <pre>
 280 %idx = getelementptr { [40 x i32]* }* %, i64 0, i32 0
 281 %arr = load [40 x i32]** %idx
 282 %idx = getelementptr [40 x i32]* %arr, i64 0, i64 17
 283 </pre>
 284 </div>
 285
 286   <p>In this case, we have to load the pointer in the structure with a load
 287   instruction before we can index into the array. If the example was changed
 288   to:</p>
 289
 290 <div class="doc_code">
 291 <pre>
 292 %MyVar = uninitialized global { [40 x i32 ] }
 293 ...
 294 %idx = getelementptr { [40 x i32] }*, i64 0, i32 0, i64 17
 295 </pre>
 296 </div>
 297
 298   <p>then everything works fine. In this case, the structure does not contain a
 299   pointer and the GEP instruction can index through the global variable,
 300   into the first field of the structure and access the 18th <tt>i32</tt> in the
 301   array there.</p>
 302 </div>
 303
 304 <!-- *********************************************************************** -->
 305 <h3>
 306   <a name="lead0">Why don't GEP x,0,0,1 and GEP x,1 alias?</a>
 307 </h3>
 308 <div class="doc_text">
 309   <p>Quick Answer: They compute different address locations.</p>
 310   <p>If you look at the first indices in these GEP
 311   instructions you find that they are different (0 and 1), therefore the address
 312   computation diverges with that index. Consider this example:</p>
 313
 314 <div class="doc_code">
 315 <pre>
 316 %MyVar = global { [10 x i32 ] }
 317 %idx1 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 0, i32 0, i64 1
 318 %idx2 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1
 319 </pre>
 320 </div>
 321
 322   <p>In this example, <tt>idx1</tt> computes the address of the second integer
 323   in the array that is in the structure in <tt>%MyVar</tt>, that is
 324   <tt>MyVar+4</tt>. The type of <tt>idx1</tt> is <tt>i32*</tt>. However,
 325   <tt>idx2</tt> computes the address of <i>the next</i> structure after
 326   <tt>%MyVar</tt>. The type of <tt>idx2</tt> is <tt>{ [10 x i32] }*</tt> and its
 327   value is equivalent to <tt>MyVar + 40</tt> because it indexes past the ten
 328   4-byte integers in <tt>MyVar</tt>. Obviously, in such a situation, the
 329   pointers don't alias.</p>
 330
 331 </div>
 332
 333 <!-- *********************************************************************** -->
 334 <h3>
 335   <a name="trail0">Why do GEP x,1,0,0 and GEP x,1 alias?</a>
 336 </h3>
 337 <div class="doc_text">
 338   <p>Quick Answer: They compute the same address location.</p>
 339   <p>These two GEP instructions will compute the same address because indexing
 340   through the 0th element does not change the address. However, it does change
 341   the type. Consider this example:</p>
 342
 343 <div class="doc_code">
 344 <pre>
 345 %MyVar = global { [10 x i32 ] }
 346 %idx1 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1, i32 0, i64 0
 347 %idx2 = getelementptr { [10 x i32 ] }* %MyVar, i64 1
 348 </pre>
 349 </div>
 350
 351   <p>In this example, the value of <tt>%idx1</tt> is <tt>%MyVar+40</tt> and
 352   its type is <tt>i32*</tt>. The value of <tt>%idx2</tt> is also
 353   <tt>MyVar+40</tt> but its type is <tt>{ [10 x i32] }*</tt>.</p>
 354 </div>
 355
 356 <!-- *********************************************************************** -->
 357
 358 <h3>
 359   <a name="vectors">Can GEP index into vector elements?</a>
 360 </h3>
 361 <div class="doc_text">
 362   <p>This hasn't always been forcefully disallowed, though it's not recommended.
 363      It leads to awkward special cases in the optimizers, and fundamental
 364      inconsistency in the IR. In the future, it will probably be outright
 365      disallowed.</p>
 366
 367 </div>
 368
 369 <!-- *********************************************************************** -->
 370
 371 <h3>
 372   <a name="addrspace">What effect do address spaces have on GEPs?</a>
 373 </h3>
 374 <div class="doc_text">
 375    <p>None, except that the address space qualifier on the first operand pointer
 376       type always matches the address space qualifier on the result type.</p>
 377
 378 </div>
 379
 380 <!-- *********************************************************************** -->
 381
 382 <h3>
 383   <a name="int">
 384     How is GEP different from ptrtoint, arithmetic, and inttoptr?
 385   </a>
 386 </h3>
 387 <div class="doc_text">
 388   <p>It's very similar; there are only subtle differences.</p>
 389
 390   <p>With ptrtoint, you have to pick an integer type. One approach is to pick i64;
 391      this is safe on everything LLVM supports (LLVM internally assumes pointers
 392      are never wider than 64 bits in many places), and the optimizer will actually
 393      narrow the i64 arithmetic down to the actual pointer size on targets which
 394      don't support 64-bit arithmetic in most cases. However, there are some cases
 395      where it doesn't do this. With GEP you can avoid this problem.
 396
 397   <p>Also, GEP carries additional pointer aliasing rules. It's invalid to take a
 398      GEP from one object, address into a different separately allocated
 399      object, and dereference it. IR producers (front-ends) must follow this rule,
 400      and consumers (optimizers, specifically alias analysis) benefit from being
 401      able to rely on it. See the <a href="#rules">Rules</a> section for more
 402      information.</p>
 403
 404   <p>And, GEP is more concise in common cases.</p>
 405
 406   <p>However, for the underlying integer computation implied, there
 407      is no difference.</p>
 408
 409 </div>
 410
 411 <!-- *********************************************************************** -->
 412
 413 <h3>
 414   <a name="be">
 415     I'm writing a backend for a target which needs custom lowering for GEP.
 416     How do I do this?
 417   </a>
 418 </h3>
 419 <div class="doc_text">
 420   <p>You don't. The integer computation implied by a GEP is target-independent.
 421      Typically what you'll need to do is make your backend pattern-match
 422      expressions trees involving ADD, MUL, etc., which are what GEP is lowered
 423      into. This has the advantage of letting your code work correctly in more
 424      cases.</p>
 425
 426   <p>GEP does use target-dependent parameters for the size and layout of data
 427      types, which targets can customize.</p>
 428
 429   <p>If you require support for addressing units which are not 8 bits, you'll
 430      need to fix a lot of code in the backend, with GEP lowering being only a
 431      small piece of the overall picture.</p>
 432
 433 </div>
 434
 435 <!-- *********************************************************************** -->
 436
 437 <h3>
 438   <a name="vla">How does VLA addressing work with GEPs?</a>
 439 </h3>
 440 <div class="doc_text">
 441   <p>GEPs don't natively support VLAs. LLVM's type system is entirely static,
 442      and GEP address computations are guided by an LLVM type.</p>
 443
 444   <p>VLA indices can be implemented as linearized indices. For example, an
 445      expression like X[a][b][c], must be effectively lowered into a form
 446      like X[a*m+b*n+c], so that it appears to the GEP as a single-dimensional
 447      array reference.</p>
 448
 449   <p>This means if you want to write an analysis which understands array
 450      indices and you want to support VLAs, your code will have to be
 451      prepared to reverse-engineer the linearization. One way to solve this
 452      problem is to use the ScalarEvolution library, which always presents
 453      VLA and non-VLA indexing in the same manner.</p>
 454 </div>
 455
 456 <!-- *********************************************************************** -->
 457 <h2><a name="rules">Rules</a></h2>
 458 <!-- *********************************************************************** -->
 459
 460 <!-- *********************************************************************** -->
 461
 462 <h3>
 463   <a name="bounds">What happens if an array index is out of bounds?</a>
 464 </h3>
 465 <div class="doc_text">
 466   <p>There are two senses in which an array index can be out of bounds.</p>
 467
 468   <p>First, there's the array type which comes from the (static) type of
 469      the first operand to the GEP. Indices greater than the number of elements
 470      in the corresponding static array type are valid. There is no problem with
 471      out of bounds indices in this sense. Indexing into an array only depends
 472      on the size of the array element, not the number of elements.</p>
 473
 474   <p>A common example of how this is used is arrays where the size is not known.
 475      It's common to use array types with zero length to represent these. The
 476      fact that the static type says there are zero elements is irrelevant; it's
 477      perfectly valid to compute arbitrary element indices, as the computation
 478      only depends on the size of the array element, not the number of
 479      elements. Note that zero-sized arrays are not a special case here.</p>
 480
 481   <p>This sense is unconnected with <tt>inbounds</tt> keyword. The
 482      <tt>inbounds</tt> keyword is designed to describe low-level pointer
 483      arithmetic overflow conditions, rather than high-level array
 484      indexing rules.
 485
 486   <p>Analysis passes which wish to understand array indexing should not
 487      assume that the static array type bounds are respected.</p>
 488
 489   <p>The second sense of being out of bounds is computing an address that's
 490      beyond the actual underlying allocated object.</p>
 491
 492   <p>With the <tt>inbounds</tt> keyword, the result value of the GEP is
 493      undefined if the address is outside the actual underlying allocated
 494      object and not the address one-past-the-end.</p>
 495
 496   <p>Without the <tt>inbounds</tt> keyword, there are no restrictions
 497      on computing out-of-bounds addresses. Obviously, performing a load or
 498      a store requires an address of allocated and sufficiently aligned
 499      memory. But the GEP itself is only concerned with computing addresses.</p>
 500
 501 </div>
 502
 503 <!-- *********************************************************************** -->
 504 <h3>
 505   <a name="negative">Can array indices be negative?</a>
 506 </h3>
 507 <div class="doc_text">
 508   <p>Yes. This is basically a special case of array indices being out
 509      of bounds.</p>
 510
 511 </div>
 512
 513 <!-- *********************************************************************** -->
 514 <h3>
 515   <a name="compare">Can I compare two values computed with GEPs?</a>
 516 </h3>
 517 <div class="doc_text">
 518   <p>Yes. If both addresses are within the same allocated object, or
 519      one-past-the-end, you'll get the comparison result you expect. If either
 520      is outside of it, integer arithmetic wrapping may occur, so the
 521      comparison may not be meaningful.</p>
 522
 523 </div>
 524
 525 <!-- *********************************************************************** -->
 526 <h3>
 527   <a name="types">
 528     Can I do GEP with a different pointer type than the type of
 529     the underlying object?
 530   </a>
 531 </h3>
 532 <div class="doc_text">
 533   <p>Yes. There are no restrictions on bitcasting a pointer value to an arbitrary
 534      pointer type. The types in a GEP serve only to define the parameters for the
 535      underlying integer computation. They need not correspond with the actual
 536      type of the underlying object.</p>
 537
 538   <p>Furthermore, loads and stores don't have to use the same types as the type
 539      of the underlying object. Types in this context serve only to specify
 540      memory size and alignment. Beyond that there are merely a hint to the
 541      optimizer indicating how the value will likely be used.</p>
 542
 543 </div>
 544
 545 <!-- *********************************************************************** -->
 546 <h3>
 547   <a name="null">
 548     Can I cast an object's address to integer and add it to null?
 549   </a>
 550 </h3>
 551 <div class="doc_text">
 552   <p>You can compute an address that way, but if you use GEP to do the add,
 553      you can't use that pointer to actually access the object, unless the
 554      object is managed outside of LLVM.</p>
 555
 556   <p>The underlying integer computation is sufficiently defined; null has a
 557      defined value -- zero -- and you can add whatever value you want to it.</p>
 558
 559   <p>However, it's invalid to access (load from or store to) an LLVM-aware
 560      object with such a pointer. This includes GlobalVariables, Allocas, and
 561      objects pointed to by noalias pointers.</p>
 562
 563   <p>If you really need this functionality, you can do the arithmetic with
 564      explicit integer instructions, and use inttoptr to convert the result to
 565      an address. Most of GEP's special aliasing rules do not apply to pointers
 566      computed from ptrtoint, arithmetic, and inttoptr sequences.</p>
 567
 568 </div>
 569
 570 <!-- *********************************************************************** -->
 571 <h3>
 572   <a name="ptrdiff">
 573     Can I compute the distance between two objects, and add
 574     that value to one address to compute the other address?
 575   </a>
 576 </h3>
 577 <div class="doc_text">
 578   <p>As with arithmetic on null, You can use GEP to compute an address that
 579      way, but you can't use that pointer to actually access the object if you
 580      do, unless the object is managed outside of LLVM.</p>
 581
 582   <p>Also as above, ptrtoint and inttoptr provide an alternative way to do this
 583      which do not have this restriction.</p>
 584
 585 </div>
 586
 587 <!-- *********************************************************************** -->
 588 <h3>
 589   <a name="tbaa">Can I do type-based alias analysis on LLVM IR?</a>
 590 </h3>
 591 <div class="doc_text">
 592   <p>You can't do type-based alias analysis using LLVM's built-in type system,
 593      because LLVM has no restrictions on mixing types in addressing, loads or
 594      stores.</p>
 595
 596   <p>It would be possible to add special annotations to the IR, probably using
 597      metadata, to describe a different type system (such as the C type system),
 598      and do type-based aliasing on top of that. This is a much bigger
 599      undertaking though.</p>
 600
 601 </div>
 602
 603 <!-- *********************************************************************** -->
 604
 605 <h3>
 606   <a name="overflow">What happens if a GEP computation overflows?</a>
 607 </h3>
 608 <div class="doc_text">
 609    <p>If the GEP lacks the <tt>inbounds</tt> keyword, the value is the result
 610       from evaluating the implied two's complement integer computation. However,
 611       since there's no guarantee of where an object will be allocated in the
 612       address space, such values have limited meaning.</p>
 613
 614   <p>If the GEP has the <tt>inbounds</tt> keyword, the result value is
 615      undefined (a "<a href="LangRef.html#trapvalues">trap value</a>") if the GEP
 616      overflows (i.e. wraps around the end of the address space).</p>
 617
 618   <p>As such, there are some ramifications of this for inbounds GEPs: scales
 619      implied by array/vector/pointer indices are always known to be "nsw" since
 620      they are signed values that are scaled by the element size.  These values
 621      are also allowed to be negative (e.g. "gep i32 *%P, i32 -1") but the
 622      pointer itself is logically treated as an unsigned value.  This means that
 623      GEPs have an asymmetric relation between the pointer base (which is treated
 624      as unsigned) and the offset applied to it (which is treated as signed). The
 625      result of the additions within the offset calculation cannot have signed
 626      overflow, but when applied to the base pointer, there can be signed
 627      overflow.
 628   </p>
 629
 630
 631 </div>
 632
 633 <!-- *********************************************************************** -->
 634
 635 <h3>
 636   <a name="check">
 637     How can I tell if my front-end is following the rules?
 638   </a>
 639 </h3>
 640 <div class="doc_text">
 641    <p>There is currently no checker for the getelementptr rules. Currently,
 642       the only way to do this is to manually check each place in your front-end
 643       where GetElementPtr operators are created.</p>
 644
 645    <p>It's not possible to write a checker which could find all rule
 646       violations statically. It would be possible to write a checker which
 647       works by instrumenting the code with dynamic checks though. Alternatively,
 648       it would be possible to write a static checker which catches a subset of
 649       possible problems. However, no such checker exists today.</p>
 650
 651 </div>
 652
 653 <!-- *********************************************************************** -->
 654 <h2><a name="rationale">Rationale</a></h2>
 655 <!-- *********************************************************************** -->
 656
 657 <!-- *********************************************************************** -->
 658
 659 <h3>
 660   <a name="goals">Why is GEP designed this way?</a>
 661 </h3>
 662 <div class="doc_text">
 663    <p>The design of GEP has the following goals, in rough unofficial
 664       order of priority:</p>
 665    <ul>
 666      <li>Support C, C-like languages, and languages which can be
 667          conceptually lowered into C (this covers a lot).</li>
 668      <li>Support optimizations such as those that are common in
 669          C compilers. In particular, GEP is a cornerstone of LLVM's
 670          <a href="LangRef.html#pointeraliasing">pointer aliasing model</a>.</li>
 671      <li>Provide a consistent method for computing addresses so that
 672          address computations don't need to be a part of load and
 673          store instructions in the IR.</li>
 674      <li>Support non-C-like languages, to the extent that it doesn't
 675          interfere with other goals.</li>
 676      <li>Minimize target-specific information in the IR.</li>
 677    </ul>
 678 </div>
 679
 680 <!-- *********************************************************************** -->
 681 <h3>
 682   <a name="i32">Why do struct member indices always use i32?</a>
 683 </h3>
 684 <div class="doc_text">
 685   <p>The specific type i32 is probably just a historical artifact, however it's
 686      wide enough for all practical purposes, so there's been no need to change it.
 687      It doesn't necessarily imply i32 address arithmetic; it's just an identifier
 688      which identifies a field in a struct. Requiring that all struct indices be
 689      the same reduces the range of possibilities for cases where two GEPs are
 690      effectively the same but have distinct operand types.</p>
 691
 692 </div>
 693
 694 <!-- *********************************************************************** -->
 695
 696 <h3>
 697   <a name="uglygep">What's an uglygep?</a>
 698 </h3>
 699 <div class="doc_text">
 700   <p>Some LLVM optimizers operate on GEPs by internally lowering them into
 701      more primitive integer expressions, which allows them to be combined
 702      with other integer expressions and/or split into multiple separate
 703      integer expressions. If they've made non-trivial changes, translating
 704      back into LLVM IR can involve reverse-engineering the structure of
 705      the addressing in order to fit it into the static type of the original
 706      first operand. It isn't always possibly to fully reconstruct this
 707      structure; sometimes the underlying addressing doesn't correspond with
 708      the static type at all. In such cases the optimizer instead will emit
 709      a GEP with the base pointer casted to a simple address-unit pointer,
 710      using the name "uglygep". This isn't pretty, but it's just as
 711      valid, and it's sufficient to preserve the pointer aliasing guarantees
 712      that GEP provides.</p>
 713
 714 </div>
 715
 716 <!-- *********************************************************************** -->
 717 <h2><a name="summary">Summary</a></h2>
 718 <!-- *********************************************************************** -->
 719
 720 <div class="doc_text">
 721   <p>In summary, here's some things to always remember about the GetElementPtr
 722   instruction:</p>
 723   <ol>
 724     <li>The GEP instruction never accesses memory, it only provides pointer
 725     computations.</li>
 726     <li>The first operand to the GEP instruction is always a pointer and it must
 727     be indexed.</li>
 728     <li>There are no superfluous indices for the GEP instruction.</li>
 729     <li>Trailing zero indices are superfluous for pointer aliasing, but not for
 730     the types of the pointers.</li>
 731     <li>Leading zero indices are not superfluous for pointer aliasing nor the
 732     types of the pointers.</li>
 733   </ol>
 734 </div>
 735
 736 <!-- *********************************************************************** -->
 737
 738 <hr>
 739 <address>
 740   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
 741   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue" alt="Valid CSS"></a>
 742   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
 743   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401-blue" alt="Valid HTML 4.01"></a>
 744   <a href="http://llvm.org/">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br/>
 745   Last modified: $Date$
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 747 </body>
 748 </html>