Revert r216439 (and r216441, else the former doesn't revert cleanly).
[oota-llvm.git] / docs / SourceLevelDebugging.rst
1 ================================
2 Source Level Debugging with LLVM
3 ================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This document is the central repository for all information pertaining to debug
12 information in LLVM.  It describes the :ref:`actual format that the LLVM debug
13 information takes <format>`, which is useful for those interested in creating
14 front-ends or dealing directly with the information.  Further, this document
15 provides specific examples of what debug information for C/C++ looks like.
16
17 Philosophy behind LLVM debugging information
18 --------------------------------------------
19
20 The idea of the LLVM debugging information is to capture how the important
21 pieces of the source-language's Abstract Syntax Tree map onto LLVM code.
22 Several design aspects have shaped the solution that appears here.  The
23 important ones are:
24
25 * Debugging information should have very little impact on the rest of the
26   compiler.  No transformations, analyses, or code generators should need to
27   be modified because of debugging information.
28
29 * LLVM optimizations should interact in :ref:`well-defined and easily described
30   ways <intro_debugopt>` with the debugging information.
31
32 * Because LLVM is designed to support arbitrary programming languages,
33   LLVM-to-LLVM tools should not need to know anything about the semantics of
34   the source-level-language.
35
36 * Source-level languages are often **widely** different from one another.
37   LLVM should not put any restrictions of the flavor of the source-language,
38   and the debugging information should work with any language.
39
40 * With code generator support, it should be possible to use an LLVM compiler
41   to compile a program to native machine code and standard debugging
42   formats.  This allows compatibility with traditional machine-code level
43   debuggers, like GDB or DBX.
44
45 The approach used by the LLVM implementation is to use a small set of
46 :ref:`intrinsic functions <format_common_intrinsics>` to define a mapping
47 between LLVM program objects and the source-level objects.  The description of
48 the source-level program is maintained in LLVM metadata in an
49 :ref:`implementation-defined format <ccxx_frontend>` (the C/C++ front-end
50 currently uses working draft 7 of the `DWARF 3 standard
51 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_).
52
53 When a program is being debugged, a debugger interacts with the user and turns
54 the stored debug information into source-language specific information.  As
55 such, a debugger must be aware of the source-language, and is thus tied to a
56 specific language or family of languages.
57
58 Debug information consumers
59 ---------------------------
60
61 The role of debug information is to provide meta information normally stripped
62 away during the compilation process.  This meta information provides an LLVM
63 user a relationship between generated code and the original program source
64 code.
65
66 Currently, debug information is consumed by DwarfDebug to produce dwarf
67 information used by the gdb debugger.  Other targets could use the same
68 information to produce stabs or other debug forms.
69
70 It would also be reasonable to use debug information to feed profiling tools
71 for analysis of generated code, or, tools for reconstructing the original
72 source from generated code.
73
74 TODO - expound a bit more.
75
76 .. _intro_debugopt:
77
78 Debugging optimized code
79 ------------------------
80
81 An extremely high priority of LLVM debugging information is to make it interact
82 well with optimizations and analysis.  In particular, the LLVM debug
83 information provides the following guarantees:
84
85 * LLVM debug information **always provides information to accurately read
86   the source-level state of the program**, regardless of which LLVM
87   optimizations have been run, and without any modification to the
88   optimizations themselves.  However, some optimizations may impact the
89   ability to modify the current state of the program with a debugger, such
90   as setting program variables, or calling functions that have been
91   deleted.
92
93 * As desired, LLVM optimizations can be upgraded to be aware of the LLVM
94   debugging information, allowing them to update the debugging information
95   as they perform aggressive optimizations.  This means that, with effort,
96   the LLVM optimizers could optimize debug code just as well as non-debug
97   code.
98
99 * LLVM debug information does not prevent optimizations from
100   happening (for example inlining, basic block reordering/merging/cleanup,
101   tail duplication, etc).
102
103 * LLVM debug information is automatically optimized along with the rest of
104   the program, using existing facilities.  For example, duplicate
105   information is automatically merged by the linker, and unused information
106   is automatically removed.
107
108 Basically, the debug information allows you to compile a program with
109 "``-O0 -g``" and get full debug information, allowing you to arbitrarily modify
110 the program as it executes from a debugger.  Compiling a program with
111 "``-O3 -g``" gives you full debug information that is always available and
112 accurate for reading (e.g., you get accurate stack traces despite tail call
113 elimination and inlining), but you might lose the ability to modify the program
114 and call functions where were optimized out of the program, or inlined away
115 completely.
116
117 :ref:`LLVM test suite <test-suite-quickstart>` provides a framework to test
118 optimizer's handling of debugging information.  It can be run like this:
119
120 .. code-block:: bash
121
122   % cd llvm/projects/test-suite/MultiSource/Benchmarks  # or some other level
123   % make TEST=dbgopt
124
125 This will test impact of debugging information on optimization passes.  If
126 debugging information influences optimization passes then it will be reported
127 as a failure.  See :doc:`TestingGuide` for more information on LLVM test
128 infrastructure and how to run various tests.
129
130 .. _format:
131
132 Debugging information format
133 ============================
134
135 LLVM debugging information has been carefully designed to make it possible for
136 the optimizer to optimize the program and debugging information without
137 necessarily having to know anything about debugging information.  In
138 particular, the use of metadata avoids duplicated debugging information from
139 the beginning, and the global dead code elimination pass automatically deletes
140 debugging information for a function if it decides to delete the function.
141
142 To do this, most of the debugging information (descriptors for types,
143 variables, functions, source files, etc) is inserted by the language front-end
144 in the form of LLVM metadata.
145
146 Debug information is designed to be agnostic about the target debugger and
147 debugging information representation (e.g. DWARF/Stabs/etc).  It uses a generic
148 pass to decode the information that represents variables, types, functions,
149 namespaces, etc: this allows for arbitrary source-language semantics and
150 type-systems to be used, as long as there is a module written for the target
151 debugger to interpret the information.
152
153 To provide basic functionality, the LLVM debugger does have to make some
154 assumptions about the source-level language being debugged, though it keeps
155 these to a minimum.  The only common features that the LLVM debugger assumes
156 exist are :ref:`source files <format_files>`, and :ref:`program objects
157 <format_global_variables>`.  These abstract objects are used by a debugger to
158 form stack traces, show information about local variables, etc.
159
160 This section of the documentation first describes the representation aspects
161 common to any source-language.  :ref:`ccxx_frontend` describes the data layout
162 conventions used by the C and C++ front-ends.
163
164 Debug information descriptors
165 -----------------------------
166
167 In consideration of the complexity and volume of debug information, LLVM
168 provides a specification for well formed debug descriptors.
169
170 Consumers of LLVM debug information expect the descriptors for program objects
171 to start in a canonical format, but the descriptors can include additional
172 information appended at the end that is source-language specific.  All debugging
173 information objects start with a tag to indicate what type of object it is.
174 The source-language is allowed to define its own objects, by using unreserved
175 tag numbers.  We recommend using with tags in the range 0x1000 through 0x2000
176 (there is a defined ``enum DW_TAG_user_base = 0x1000``.)
177
178 The fields of debug descriptors used internally by LLVM are restricted to only
179 the simple data types ``i32``, ``i1``, ``float``, ``double``, ``mdstring`` and
180 ``mdnode``.
181
182 .. code-block:: llvm
183
184   !1 = metadata !{
185     i32,   ;; A tag
186     ...
187   }
188
189 <a name="LLVMDebugVersion">The first field of a descriptor is always an
190 ``i32`` containing a tag value identifying the content of the descriptor.
191 The remaining fields are specific to the descriptor.  The values of tags are
192 loosely bound to the tag values of DWARF information entries.  However, that
193 does not restrict the use of the information supplied to DWARF targets.
194
195 The details of the various descriptors follow.
196
197 Compile unit descriptors
198 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
199
200 .. code-block:: llvm
201
202   !0 = metadata !{
203     i32,       ;; Tag = 17 (DW_TAG_compile_unit)
204     metadata,  ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
205     i32,       ;; DWARF language identifier (ex. DW_LANG_C89)
206     metadata   ;; Producer (ex. "4.0.1 LLVM (LLVM research group)")
207     i1,        ;; True if this is optimized.
208     metadata,  ;; Flags
209     i32        ;; Runtime version
210     metadata   ;; List of enums types
211     metadata   ;; List of retained types
212     metadata   ;; List of subprograms
213     metadata   ;; List of global variables
214     metadata   ;; List of imported entities
215     metadata   ;; Split debug filename
216     i32        ;; Debug info emission kind (1 = Full Debug Info, 2 = Line Tables Only)
217   }
218
219 These descriptors contain a source language ID for the file (we use the DWARF
220 3.0 ID numbers, such as ``DW_LANG_C89``, ``DW_LANG_C_plus_plus``,
221 ``DW_LANG_Cobol74``, etc), a reference to a metadata node containing a pair of
222 strings for the source file name and the working directory, as well as an
223 identifier string for the compiler that produced it.
224
225 Compile unit descriptors provide the root context for objects declared in a
226 specific compilation unit.  File descriptors are defined using this context.
227 These descriptors are collected by a named metadata ``!llvm.dbg.cu``.  They
228 keep track of subprograms, global variables, type information, and imported
229 entities (declarations and namespaces).
230
231 .. _format_files:
232
233 File descriptors
234 ^^^^^^^^^^^^^^^^
235
236 .. code-block:: llvm
237
238   !0 = metadata !{
239     i32,      ;; Tag = 41 (DW_TAG_file_type)
240     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
241   }
242
243 These descriptors contain information for a file.  Global variables and top
244 level functions would be defined using this context.  File descriptors also
245 provide context for source line correspondence.
246
247 Each input file is encoded as a separate file descriptor in LLVM debugging
248 information output.
249
250 .. _format_global_variables:
251
252 Global variable descriptors
253 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
254
255 .. code-block:: llvm
256
257   !1 = metadata !{
258     i32,      ;; Tag = 52 (DW_TAG_variable)
259     i32,      ;; Unused field.
260     metadata, ;; Reference to context descriptor
261     metadata, ;; Name
262     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
263     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
264     metadata, ;; Reference to file where defined
265     i32,      ;; Line number where defined
266     metadata, ;; Reference to type descriptor
267     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
268     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
269     {}*,      ;; Reference to the global variable
270     metadata, ;; The static member declaration, if any
271   }
272
273 These descriptors provide debug information about global variables.  They
274 provide details such as name, type and where the variable is defined.  All
275 global variables are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
276
277 .. _format_subprograms:
278
279 Subprogram descriptors
280 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
281
282 .. code-block:: llvm
283
284   !2 = metadata !{
285     i32,      ;; Tag = 46 (DW_TAG_subprogram)
286     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
287     metadata, ;; Reference to context descriptor
288     metadata, ;; Name
289     metadata, ;; Display name (fully qualified C++ name)
290     metadata, ;; MIPS linkage name (for C++)
291     i32,      ;; Line number where defined
292     metadata, ;; Reference to type descriptor
293     i1,       ;; True if the global is local to compile unit (static)
294     i1,       ;; True if the global is defined in the compile unit (not extern)
295     i32,      ;; Virtuality, e.g. dwarf::DW_VIRTUALITY__virtual
296     i32,      ;; Index into a virtual function
297     metadata, ;; indicates which base type contains the vtable pointer for the
298               ;; derived class
299     i32,      ;; Flags - Artificial, Private, Protected, Explicit, Prototyped.
300     i1,       ;; isOptimized
301     {}*,      ;; Reference to the LLVM function
302     metadata, ;; Lists function template parameters
303     metadata, ;; Function declaration descriptor
304     metadata, ;; List of function variables
305     i32       ;; Line number where the scope of the subprogram begins
306   }
307
308 These descriptors provide debug information about functions, methods and
309 subprograms.  They provide details such as name, return types and the source
310 location where the subprogram is defined.
311
312 Block descriptors
313 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
314
315 .. code-block:: llvm
316
317   !3 = metadata !{
318     i32,      ;; Tag = 11 (DW_TAG_lexical_block)
319     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
320     metadata, ;; Reference to context descriptor
321     i32,      ;; Line number
322     i32,      ;; Column number
323     i32       ;; Unique ID to identify blocks from a template function
324   }
325
326 This descriptor provides debug information about nested blocks within a
327 subprogram.  The line number and column numbers are used to dinstinguish two
328 lexical blocks at same depth.
329
330 .. code-block:: llvm
331
332   !3 = metadata !{
333     i32,      ;; Tag = 11 (DW_TAG_lexical_block)
334     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair
335     metadata  ;; Reference to the scope we're annotating with a file change
336     i32,      ;; DWARF path discriminator value
337   }
338
339 This descriptor provides a wrapper around a lexical scope to handle file
340 changes in the middle of a lexical block.
341
342 .. _format_basic_type:
343
344 Basic type descriptors
345 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
346
347 .. code-block:: llvm
348
349   !4 = metadata !{
350     i32,      ;; Tag = 36 (DW_TAG_base_type)
351     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
352     metadata, ;; Reference to context
353     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
354     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
355     i64,      ;; Size in bits
356     i64,      ;; Alignment in bits
357     i64,      ;; Offset in bits
358     i32,      ;; Flags
359     i32       ;; DWARF type encoding
360   }
361
362 These descriptors define primitive types used in the code.  Example ``int``,
363 ``bool`` and ``float``.  The context provides the scope of the type, which is
364 usually the top level.  Since basic types are not usually user defined the
365 context and line number can be left as NULL and 0.  The size, alignment and
366 offset are expressed in bits and can be 64 bit values.  The alignment is used
367 to round the offset when embedded in a :ref:`composite type
368 <format_composite_type>` (example to keep float doubles on 64 bit boundaries).
369 The offset is the bit offset if embedded in a :ref:`composite type
370 <format_composite_type>`.
371
372 The type encoding provides the details of the type.  The values are typically
373 one of the following:
374
375 .. code-block:: llvm
376
377   DW_ATE_address       = 1
378   DW_ATE_boolean       = 2
379   DW_ATE_float         = 4
380   DW_ATE_signed        = 5
381   DW_ATE_signed_char   = 6
382   DW_ATE_unsigned      = 7
383   DW_ATE_unsigned_char = 8
384
385 .. _format_derived_type:
386
387 Derived type descriptors
388 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
389
390 .. code-block:: llvm
391
392   !5 = metadata !{
393     i32,      ;; Tag (see below)
394     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
395     metadata, ;; Reference to context
396     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
397     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
398     i64,      ;; Size in bits
399     i64,      ;; Alignment in bits
400     i64,      ;; Offset in bits
401     i32,      ;; Flags to encode attributes, e.g. private
402     metadata, ;; Reference to type derived from
403     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property associated with
404               ;; Objective-C an ivar, or the type of which this
405               ;; pointer-to-member is pointing to members of.
406     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property getter selector.
407     metadata, ;; (optional) Name of the Objective C property setter selector.
408     i32       ;; (optional) Objective C property attributes.
409   }
410
411 These descriptors are used to define types derived from other types.  The value
412 of the tag varies depending on the meaning.  The following are possible tag
413 values:
414
415 .. code-block:: llvm
416
417   DW_TAG_formal_parameter   = 5
418   DW_TAG_member             = 13
419   DW_TAG_pointer_type       = 15
420   DW_TAG_reference_type     = 16
421   DW_TAG_typedef            = 22
422   DW_TAG_ptr_to_member_type = 31
423   DW_TAG_const_type         = 38
424   DW_TAG_volatile_type      = 53
425   DW_TAG_restrict_type      = 55
426
427 ``DW_TAG_member`` is used to define a member of a :ref:`composite type
428 <format_composite_type>` or :ref:`subprogram <format_subprograms>`.  The type
429 of the member is the :ref:`derived type <format_derived_type>`.
430 ``DW_TAG_formal_parameter`` is used to define a member which is a formal
431 argument of a subprogram.
432
433 ``DW_TAG_typedef`` is used to provide a name for the derived type.
434
435 ``DW_TAG_pointer_type``, ``DW_TAG_reference_type``, ``DW_TAG_const_type``,
436 ``DW_TAG_volatile_type`` and ``DW_TAG_restrict_type`` are used to qualify the
437 :ref:`derived type <format_derived_type>`.
438
439 :ref:`Derived type <format_derived_type>` location can be determined from the
440 context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in bits
441 and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
442 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`  (example to keep
443 float doubles on 64 bit boundaries.) The offset is the bit offset if embedded
444 in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
445
446 Note that the ``void *`` type is expressed as a type derived from NULL.
447
448 .. _format_composite_type:
449
450 Composite type descriptors
451 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
452
453 .. code-block:: llvm
454
455   !6 = metadata !{
456     i32,      ;; Tag (see below)
457     metadata, ;; Source directory (including trailing slash) & file pair (may be null)
458     metadata, ;; Reference to context
459     metadata, ;; Name (may be "" for anonymous types)
460     i32,      ;; Line number where defined (may be 0)
461     i64,      ;; Size in bits
462     i64,      ;; Alignment in bits
463     i64,      ;; Offset in bits
464     i32,      ;; Flags
465     metadata, ;; Reference to type derived from
466     metadata, ;; Reference to array of member descriptors
467     i32,      ;; Runtime languages
468     metadata, ;; Base type containing the vtable pointer for this type
469     metadata, ;; Template parameters
470     metadata  ;; A unique identifier for type uniquing purpose (may be null)
471   }
472
473 These descriptors are used to define types that are composed of 0 or more
474 elements.  The value of the tag varies depending on the meaning.  The following
475 are possible tag values:
476
477 .. code-block:: llvm
478
479   DW_TAG_array_type       = 1
480   DW_TAG_enumeration_type = 4
481   DW_TAG_structure_type   = 19
482   DW_TAG_union_type       = 23
483   DW_TAG_subroutine_type  = 21
484   DW_TAG_inheritance      = 28
485
486 The vector flag indicates that an array type is a native packed vector.
487
488 The members of array types (tag = ``DW_TAG_array_type``) are
489 :ref:`subrange descriptors <format_subrange>`, each
490 representing the range of subscripts at that level of indexing.
491
492 The members of enumeration types (tag = ``DW_TAG_enumeration_type``) are
493 :ref:`enumerator descriptors <format_enumerator>`, each representing the
494 definition of enumeration value for the set.  All enumeration type descriptors
495 are collected inside the named metadata ``!llvm.dbg.cu``.
496
497 The members of structure (tag = ``DW_TAG_structure_type``) or union (tag =
498 ``DW_TAG_union_type``) types are any one of the :ref:`basic
499 <format_basic_type>`, :ref:`derived <format_derived_type>` or :ref:`composite
500 <format_composite_type>` type descriptors, each representing a field member of
501 the structure or union.
502
503 For C++ classes (tag = ``DW_TAG_structure_type``), member descriptors provide
504 information about base classes, static members and member functions.  If a
505 member is a :ref:`derived type descriptor <format_derived_type>` and has a tag
506 of ``DW_TAG_inheritance``, then the type represents a base class.  If the member
507 of is a :ref:`global variable descriptor <format_global_variables>` then it
508 represents a static member.  And, if the member is a :ref:`subprogram
509 descriptor <format_subprograms>` then it represents a member function.  For
510 static members and member functions, ``getName()`` returns the members link or
511 the C++ mangled name.  ``getDisplayName()`` the simplied version of the name.
512
513 The first member of subroutine (tag = ``DW_TAG_subroutine_type``) type elements
514 is the return type for the subroutine.  The remaining elements are the formal
515 arguments to the subroutine.
516
517 :ref:`Composite type <format_composite_type>` location can be determined from
518 the context and line number.  The size, alignment and offset are expressed in
519 bits and can be 64 bit values.  The alignment is used to round the offset when
520 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>` (as an example, to
521 keep float doubles on 64 bit boundaries).  The offset is the bit offset if
522 embedded in a :ref:`composite type <format_composite_type>`.
523
524 .. _format_subrange:
525
526 Subrange descriptors
527 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
528
529 .. code-block:: llvm
530
531   !42 = metadata !{
532     i32,      ;; Tag = 33 (DW_TAG_subrange_type)
533     i64,      ;; Low value
534     i64       ;; High value
535   }
536
537 These descriptors are used to define ranges of array subscripts for an array
538 :ref:`composite type <format_composite_type>`.  The low value defines the lower
539 bounds typically zero for C/C++.  The high value is the upper bounds.  Values
540 are 64 bit.  ``High - Low + 1`` is the size of the array.  If ``Low > High``
541 the array bounds are not included in generated debugging information.
542
543 .. _format_enumerator:
544
545 Enumerator descriptors
546 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
547
548 .. code-block:: llvm
549
550   !6 = metadata !{
551     i32,      ;; Tag = 40 (DW_TAG_enumerator)
552     metadata, ;; Name
553     i64       ;; Value
554   }
555
556 These descriptors are used to define members of an enumeration :ref:`composite
557 type <format_composite_type>`, it associates the name to the value.
558
559 Local variables
560 ^^^^^^^^^^^^^^^
561
562 .. code-block:: llvm
563
564   !7 = metadata !{
565     i32,      ;; Tag (see below)
566     metadata, ;; Context
567     metadata, ;; Name
568     metadata, ;; Reference to file where defined
569     i32,      ;; 24 bit - Line number where defined
570               ;; 8 bit - Argument number. 1 indicates 1st argument.
571     metadata, ;; Reference to the type descriptor
572     i32,      ;; flags
573     metadata  ;; (optional) Reference to inline location
574     metadata  ;; (optional) Reference to a complex expression (see below)
575   }
576
577 These descriptors are used to define variables local to a sub program.  The
578 value of the tag depends on the usage of the variable:
579
580 .. code-block:: llvm
581
582   DW_TAG_auto_variable   = 256
583   DW_TAG_arg_variable    = 257
584
585 An auto variable is any variable declared in the body of the function.  An
586 argument variable is any variable that appears as a formal argument to the
587 function.
588
589 The context is either the subprogram or block where the variable is defined.
590 Name the source variable name.  Context and line indicate where the variable
591 was defined.  Type descriptor defines the declared type of the variable.
592
593 The ``OpPiece`` operator is used for (typically larger aggregate)
594 variables that are fragmented across several locations. It takes two
595 i32 arguments, an offset and a size in bytes to describe which piece
596 of the variable is at this location.
597
598
599 .. _format_common_intrinsics:
600
601 Debugger intrinsic functions
602 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
603
604 LLVM uses several intrinsic functions (name prefixed with "``llvm.dbg``") to
605 provide debug information at various points in generated code.
606
607 ``llvm.dbg.declare``
608 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
609
610 .. code-block:: llvm
611
612   void %llvm.dbg.declare(metadata, metadata)
613
614 This intrinsic provides information about a local element (e.g., variable).
615 The first argument is metadata holding the alloca for the variable.  The second
616 argument is metadata containing a description of the variable.
617
618 ``llvm.dbg.value``
619 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
620
621 .. code-block:: llvm
622
623   void %llvm.dbg.value(metadata, i64, metadata)
624
625 This intrinsic provides information when a user source variable is set to a new
626 value.  The first argument is the new value (wrapped as metadata).  The second
627 argument is the offset in the user source variable where the new value is
628 written.  The third argument is metadata containing a description of the user
629 source variable.
630
631 Object lifetimes and scoping
632 ============================
633
634 In many languages, the local variables in functions can have their lifetimes or
635 scopes limited to a subset of a function.  In the C family of languages, for
636 example, variables are only live (readable and writable) within the source
637 block that they are defined in.  In functional languages, values are only
638 readable after they have been defined.  Though this is a very obvious concept,
639 it is non-trivial to model in LLVM, because it has no notion of scoping in this
640 sense, and does not want to be tied to a language's scoping rules.
641
642 In order to handle this, the LLVM debug format uses the metadata attached to
643 llvm instructions to encode line number and scoping information.  Consider the
644 following C fragment, for example:
645
646 .. code-block:: c
647
648   1.  void foo() {
649   2.    int X = 21;
650   3.    int Y = 22;
651   4.    {
652   5.      int Z = 23;
653   6.      Z = X;
654   7.    }
655   8.    X = Y;
656   9.  }
657
658 Compiled to LLVM, this function would be represented like this:
659
660 .. code-block:: llvm
661
662   define void @foo() #0 {
663   entry:
664    %X = alloca i32, align 4
665     %Y = alloca i32, align 4
666     %Z = alloca i32, align 4
667     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !10), !dbg !12
668       ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
669     store i32 21, i32* %X, align 4, !dbg !12
670     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Y}, metadata !13), !dbg !14
671       ; [debug line = 3:7] [debug variable = Y]
672     store i32 22, i32* %Y, align 4, !dbg !14
673     call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
674       ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
675     store i32 23, i32* %Z, align 4, !dbg !17
676     %0 = load i32* %X, align 4, !dbg !18
677       [debug line = 6:5]
678     store i32 %0, i32* %Z, align 4, !dbg !18
679     %1 = load i32* %Y, align 4, !dbg !19
680       [debug line = 8:3]
681     store i32 %1, i32* %X, align 4, !dbg !19
682     ret void, !dbg !20
683   }
684
685   ; Function Attrs: nounwind readnone
686   declare void @llvm.dbg.declare(metadata, metadata) #1
687
688   attributes #0 = { nounwind ssp uwtable "less-precise-fpmad"="false"
689     "no-frame-pointer-elim"="true" "no-frame-pointer-elim-non-leaf"
690     "no-infs-fp-math"="false" "no-nans-fp-math"="false"
691     "stack-protector-buffer-size"="8" "unsafe-fp-math"="false"
692     "use-soft-float"="false" }
693   attributes #1 = { nounwind readnone }
694
695   !llvm.dbg.cu = !{!0}
696   !llvm.module.flags = !{!8}
697   !llvm.ident = !{!9}
698
699   !0 = metadata !{i32 786449, metadata !1, i32 12,
700                   metadata !"clang version 3.4 (trunk 193128) (llvm/trunk 193139)",
701                   i1 false, metadata !"", i32 0, metadata !2, metadata !2, metadata !3,
702                   metadata !2, metadata !2, metadata !""} ; [ DW_TAG_compile_unit ] \
703                     [/private/tmp/foo.c] \
704                     [DW_LANG_C99]
705   !1 = metadata !{metadata !"t.c", metadata !"/private/tmp"}
706   !2 = metadata !{i32 0}
707   !3 = metadata !{metadata !4}
708   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
709                   metadata !"foo", metadata !"", i32 1, metadata !6,
710                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 0, i1 false,
711                   void ()* @foo, null, null, metadata !2, i32 1}
712                   ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
713   !5 = metadata !{i32 786473, metadata !1}  ; [ DW_TAG_file_type ] \
714                     [/private/tmp/t.c]
715   !6 = metadata !{i32 786453, i32 0, null, metadata !"", i32 0, i64 0, i64 0,
716                   i64 0, i32 0, null, metadata !7, i32 0, null, null, null}
717                   ; [ DW_TAG_subroutine_type ] \
718                     [line 0, size 0, align 0, offset 0] [from ]
719   !7 = metadata !{null}
720   !8 = metadata !{i32 2, metadata !"Dwarf Version", i32 2}
721   !9 = metadata !{metadata !"clang version 3.4 (trunk 193128) (llvm/trunk 193139)"}
722   !10 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"X", metadata !5, i32 2,
723                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [X] \
724                      [line 2]
725   !11 = metadata !{i32 786468, null, null, metadata !"int", i32 0, i64 32,
726                    i64 32, i64 0, i32 0, i32 5} ; [ DW_TAG_base_type ] [int] \
727                      [line 0, size 32, align 32, offset 0, enc DW_ATE_signed]
728   !12 = metadata !{i32 2, i32 0, metadata !4, null}
729   !13 = metadata !{i32 786688, metadata !4, metadata !"Y", metadata !5, i32 3,
730                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Y] \
731                      [line 3]
732   !14 = metadata !{i32 3, i32 0, metadata !4, null}
733   !15 = metadata !{i32 786688, metadata !16, metadata !"Z", metadata !5, i32 5,
734                    metadata !11, i32 0, i32 0} ; [ DW_TAG_auto_variable ] [Z] \
735                      [line 5]
736   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 0, i32 0} \
737                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/t.c]
738   !17 = metadata !{i32 5, i32 0, metadata !16, null}
739   !18 = metadata !{i32 6, i32 0, metadata !16, null}
740   !19 = metadata !{i32 8, i32 0, metadata !4, null} ; [ DW_TAG_imported_declaration ]
741   !20 = metadata !{i32 9, i32 0, metadata !4, null}
742
743 This example illustrates a few important details about LLVM debugging
744 information.  In particular, it shows how the ``llvm.dbg.declare`` intrinsic and
745 location information, which are attached to an instruction, are applied
746 together to allow a debugger to analyze the relationship between statements,
747 variable definitions, and the code used to implement the function.
748
749 .. code-block:: llvm
750
751   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %X}, metadata !10), !dbg !12
752     ; [debug line = 2:7] [debug variable = X]
753
754 The first intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for the
755 variable ``X``.  The metadata ``!dbg !12`` attached to the intrinsic provides
756 scope information for the variable ``X``.
757
758 .. code-block:: llvm
759
760   !12 = metadata !{i32 2, i32 0, metadata !4, null}
761   !4 = metadata !{i32 786478, metadata !1, metadata !5, metadata !"foo",
762                   metadata !"foo", metadata !"", i32 1, metadata !6,
763                   i1 false, i1 true, i32 0, i32 0, null, i32 0, i1 false,
764                   void ()* @foo, null, null, metadata !2, i32 1}
765                     ; [ DW_TAG_subprogram ] [line 1] [def] [foo]
766
767 Here ``!12`` is metadata providing location information.  It has four fields:
768 line number, column number, scope, and original scope.  The original scope
769 represents inline location if this instruction is inlined inside a caller, and
770 is null otherwise.  In this example, scope is encoded by ``!4``, a
771 :ref:`subprogram descriptor <format_subprograms>`.  This way the location
772 information attached to the intrinsics indicates that the variable ``X`` is
773 declared at line number 2 at a function level scope in function ``foo``.
774
775 Now lets take another example.
776
777 .. code-block:: llvm
778
779   call void @llvm.dbg.declare(metadata !{i32* %Z}, metadata !15), !dbg !17
780     ; [debug line = 5:9] [debug variable = Z]
781
782 The third intrinsic ``%llvm.dbg.declare`` encodes debugging information for
783 variable ``Z``.  The metadata ``!dbg !17`` attached to the intrinsic provides
784 scope information for the variable ``Z``.
785
786 .. code-block:: llvm
787
788   !16 = metadata !{i32 786443, metadata !1, metadata !4, i32 4, i32 0, i32 0} \
789                    ; [ DW_TAG_lexical_block ] [/private/tmp/t.c]
790   !17 = metadata !{i32 5, i32 0, metadata !16, null}
791
792 Here ``!15`` indicates that ``Z`` is declared at line number 5 and
793 column number 0 inside of lexical scope ``!16``.  The lexical scope itself
794 resides inside of subprogram ``!4`` described above.
795
796 The scope information attached with each instruction provides a straightforward
797 way to find instructions covered by a scope.
798
799 .. _ccxx_frontend:
800
801 C/C++ front-end specific debug information
802 ==========================================
803
804 The C and C++ front-ends represent information about the program in a format
805 that is effectively identical to `DWARF 3.0
806 <http://www.eagercon.com/dwarf/dwarf3std.htm>`_ in terms of information
807 content.  This allows code generators to trivially support native debuggers by
808 generating standard dwarf information, and contains enough information for
809 non-dwarf targets to translate it as needed.
810
811 This section describes the forms used to represent C and C++ programs.  Other
812 languages could pattern themselves after this (which itself is tuned to
813 representing programs in the same way that DWARF 3 does), or they could choose
814 to provide completely different forms if they don't fit into the DWARF model.
815 As support for debugging information gets added to the various LLVM
816 source-language front-ends, the information used should be documented here.
817
818 The following sections provide examples of various C/C++ constructs and the
819 debug information that would best describe those constructs.
820
821 C/C++ source file information
822 -----------------------------
823
824 Given the source files ``MySource.cpp`` and ``MyHeader.h`` located in the
825 directory ``/Users/mine/sources``, the following code:
826
827 .. code-block:: c
828
829   #include "MyHeader.h"
830
831   int main(int argc, char *argv[]) {
832     return 0;
833   }
834
835 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
836
837 .. code-block:: llvm
838
839   ...
840   ;;
841   ;; Define the compile unit for the main source file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
842   ;;
843   !0 = metadata !{
844     i32 786449,   ;; Tag
845     metadata !1,  ;; File/directory name
846     i32 4,        ;; Language Id
847     metadata !"clang version 3.4 ",
848     i1 false,     ;; Optimized compile unit
849     metadata !"", ;; Compiler flags
850     i32 0,        ;; Runtime version
851     metadata !2,  ;; Enumeration types
852     metadata !2,  ;; Retained types
853     metadata !3,  ;; Subprograms
854     metadata !2,  ;; Global variables
855     metadata !2,  ;; Imported entities (declarations and namespaces)
856     metadata !""  ;; Split debug filename
857     1,            ;; Full debug info
858   }
859
860   ;;
861   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/MySource.cpp".
862   ;;
863   !1 = metadata !{
864     metadata !"MySource.cpp",
865     metadata !"/Users/mine/sources"
866   }
867   !5 = metadata !{
868     i32 786473, ;; Tag
869     metadata !1
870   }
871
872   ;;
873   ;; Define the file for the file "/Users/mine/sources/Myheader.h"
874   ;;
875   !14 = metadata !{
876     i32 786473, ;; Tag
877     metadata !15
878   }
879   !15 = metadata !{
880     metadata !"./MyHeader.h",
881     metadata !"/Users/mine/sources",
882   }
883
884   ...
885
886 ``llvm::Instruction`` provides easy access to metadata attached with an
887 instruction.  One can extract line number information encoded in LLVM IR using
888 ``Instruction::getMetadata()`` and ``DILocation::getLineNumber()``.
889
890 .. code-block:: c++
891
892   if (MDNode *N = I->getMetadata("dbg")) {  // Here I is an LLVM instruction
893     DILocation Loc(N);                      // DILocation is in DebugInfo.h
894     unsigned Line = Loc.getLineNumber();
895     StringRef File = Loc.getFilename();
896     StringRef Dir = Loc.getDirectory();
897   }
898
899 C/C++ global variable information
900 ---------------------------------
901
902 Given an integer global variable declared as follows:
903
904 .. code-block:: c
905
906   int MyGlobal = 100;
907
908 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
909
910 .. code-block:: llvm
911
912   ;;
913   ;; Define the global itself.
914   ;;
915   %MyGlobal = global int 100
916   ...
917   ;;
918   ;; List of debug info of globals
919   ;;
920   !llvm.dbg.cu = !{!0}
921
922   ;; Define the compile unit.
923   !0 = metadata !{
924     i32 786449,                       ;; Tag
925     i32 0,                            ;; Context
926     i32 4,                            ;; Language
927     metadata !"foo.cpp",              ;; File
928     metadata !"/Volumes/Data/tmp",    ;; Directory
929     metadata !"clang version 3.1 ",   ;; Producer
930     i1 true,                          ;; Deprecated field
931     i1 false,                         ;; "isOptimized"?
932     metadata !"",                     ;; Flags
933     i32 0,                            ;; Runtime Version
934     metadata !1,                      ;; Enum Types
935     metadata !1,                      ;; Retained Types
936     metadata !1,                      ;; Subprograms
937     metadata !3,                      ;; Global Variables
938     metadata !1,                      ;; Imported entities
939     "",                               ;; Split debug filename
940     1,                                ;; Full debug info
941   } ; [ DW_TAG_compile_unit ]
942
943   ;; The Array of Global Variables
944   !3 = metadata !{
945     metadata !4
946   }
947
948   ;;
949   ;; Define the global variable itself.
950   ;;
951   !4 = metadata !{
952     i32 786484,                        ;; Tag
953     i32 0,                             ;; Unused
954     null,                              ;; Unused
955     metadata !"MyGlobal",              ;; Name
956     metadata !"MyGlobal",              ;; Display Name
957     metadata !"",                      ;; Linkage Name
958     metadata !6,                       ;; File
959     i32 1,                             ;; Line
960     metadata !7,                       ;; Type
961     i32 0,                             ;; IsLocalToUnit
962     i32 1,                             ;; IsDefinition
963     i32* @MyGlobal,                    ;; LLVM-IR Value
964     null                               ;; Static member declaration
965   } ; [ DW_TAG_variable ]
966
967   ;;
968   ;; Define the file
969   ;;
970   !5 = metadata !{
971     metadata !"foo.cpp",               ;; File
972     metadata !"/Volumes/Data/tmp",     ;; Directory
973   }
974   !6 = metadata !{
975     i32 786473,                        ;; Tag
976     metadata !5                        ;; Unused
977   } ; [ DW_TAG_file_type ]
978
979   ;;
980   ;; Define the type
981   ;;
982   !7 = metadata !{
983     i32 786468,                         ;; Tag
984     null,                               ;; Unused
985     null,                               ;; Unused
986     metadata !"int",                    ;; Name
987     i32 0,                              ;; Line
988     i64 32,                             ;; Size in Bits
989     i64 32,                             ;; Align in Bits
990     i64 0,                              ;; Offset
991     i32 0,                              ;; Flags
992     i32 5                               ;; Encoding
993   } ; [ DW_TAG_base_type ]
994
995 C/C++ function information
996 --------------------------
997
998 Given a function declared as follows:
999
1000 .. code-block:: c
1001
1002   int main(int argc, char *argv[]) {
1003     return 0;
1004   }
1005
1006 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1007
1008 .. code-block:: llvm
1009
1010   ;;
1011   ;; Define the anchor for subprograms.
1012   ;;
1013   !6 = metadata !{
1014     i32 786484,        ;; Tag
1015     metadata !1,       ;; File
1016     metadata !1,       ;; Context
1017     metadata !"main",  ;; Name
1018     metadata !"main",  ;; Display name
1019     metadata !"main",  ;; Linkage name
1020     i32 1,             ;; Line number
1021     metadata !4,       ;; Type
1022     i1 false,          ;; Is local
1023     i1 true,           ;; Is definition
1024     i32 0,             ;; Virtuality attribute, e.g. pure virtual function
1025     i32 0,             ;; Index into virtual table for C++ methods
1026     i32 0,             ;; Type that holds virtual table.
1027     i32 0,             ;; Flags
1028     i1 false,          ;; True if this function is optimized
1029     Function *,        ;; Pointer to llvm::Function
1030     null,              ;; Function template parameters
1031     null,              ;; List of function variables (emitted when optimizing)
1032     1                  ;; Line number of the opening '{' of the function
1033   }
1034   ;;
1035   ;; Define the subprogram itself.
1036   ;;
1037   define i32 @main(i32 %argc, i8** %argv) {
1038   ...
1039   }
1040
1041 C/C++ basic types
1042 -----------------
1043
1044 The following are the basic type descriptors for C/C++ core types:
1045
1046 bool
1047 ^^^^
1048
1049 .. code-block:: llvm
1050
1051   !2 = metadata !{
1052     i32 786468,        ;; Tag
1053     null,              ;; File
1054     null,              ;; Context
1055     metadata !"bool",  ;; Name
1056     i32 0,             ;; Line number
1057     i64 8,             ;; Size in Bits
1058     i64 8,             ;; Align in Bits
1059     i64 0,             ;; Offset in Bits
1060     i32 0,             ;; Flags
1061     i32 2              ;; Encoding
1062   }
1063
1064 char
1065 ^^^^
1066
1067 .. code-block:: llvm
1068
1069   !2 = metadata !{
1070     i32 786468,        ;; Tag
1071     null,              ;; File
1072     null,              ;; Context
1073     metadata !"char",  ;; Name
1074     i32 0,             ;; Line number
1075     i64 8,             ;; Size in Bits
1076     i64 8,             ;; Align in Bits
1077     i64 0,             ;; Offset in Bits
1078     i32 0,             ;; Flags
1079     i32 6              ;; Encoding
1080   }
1081
1082 unsigned char
1083 ^^^^^^^^^^^^^
1084
1085 .. code-block:: llvm
1086
1087   !2 = metadata !{
1088     i32 786468,        ;; Tag
1089     null,              ;; File
1090     null,              ;; Context
1091     metadata !"unsigned char",
1092     i32 0,             ;; Line number
1093     i64 8,             ;; Size in Bits
1094     i64 8,             ;; Align in Bits
1095     i64 0,             ;; Offset in Bits
1096     i32 0,             ;; Flags
1097     i32 8              ;; Encoding
1098   }
1099
1100 short
1101 ^^^^^
1102
1103 .. code-block:: llvm
1104
1105   !2 = metadata !{
1106     i32 786468,        ;; Tag
1107     null,              ;; File
1108     null,              ;; Context
1109     metadata !"short int",
1110     i32 0,             ;; Line number
1111     i64 16,            ;; Size in Bits
1112     i64 16,            ;; Align in Bits
1113     i64 0,             ;; Offset in Bits
1114     i32 0,             ;; Flags
1115     i32 5              ;; Encoding
1116   }
1117
1118 unsigned short
1119 ^^^^^^^^^^^^^^
1120
1121 .. code-block:: llvm
1122
1123   !2 = metadata !{
1124     i32 786468,        ;; Tag
1125     null,              ;; File
1126     null,              ;; Context
1127     metadata !"short unsigned int",
1128     i32 0,             ;; Line number
1129     i64 16,            ;; Size in Bits
1130     i64 16,            ;; Align in Bits
1131     i64 0,             ;; Offset in Bits
1132     i32 0,             ;; Flags
1133     i32 7              ;; Encoding
1134   }
1135
1136 int
1137 ^^^
1138
1139 .. code-block:: llvm
1140
1141   !2 = metadata !{
1142     i32 786468,        ;; Tag
1143     null,              ;; File
1144     null,              ;; Context
1145     metadata !"int",   ;; Name
1146     i32 0,             ;; Line number
1147     i64 32,            ;; Size in Bits
1148     i64 32,            ;; Align in Bits
1149     i64 0,             ;; Offset in Bits
1150     i32 0,             ;; Flags
1151     i32 5              ;; Encoding
1152   }
1153
1154 unsigned int
1155 ^^^^^^^^^^^^
1156
1157 .. code-block:: llvm
1158
1159   !2 = metadata !{
1160     i32 786468,        ;; Tag
1161     null,              ;; File
1162     null,              ;; Context
1163     metadata !"unsigned int",
1164     i32 0,             ;; Line number
1165     i64 32,            ;; Size in Bits
1166     i64 32,            ;; Align in Bits
1167     i64 0,             ;; Offset in Bits
1168     i32 0,             ;; Flags
1169     i32 7              ;; Encoding
1170   }
1171
1172 long long
1173 ^^^^^^^^^
1174
1175 .. code-block:: llvm
1176
1177   !2 = metadata !{
1178     i32 786468,        ;; Tag
1179     null,              ;; File
1180     null,              ;; Context
1181     metadata !"long long int",
1182     i32 0,             ;; Line number
1183     i64 64,            ;; Size in Bits
1184     i64 64,            ;; Align in Bits
1185     i64 0,             ;; Offset in Bits
1186     i32 0,             ;; Flags
1187     i32 5              ;; Encoding
1188   }
1189
1190 unsigned long long
1191 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1192
1193 .. code-block:: llvm
1194
1195   !2 = metadata !{
1196     i32 786468,        ;; Tag
1197     null,              ;; File
1198     null,              ;; Context
1199     metadata !"long long unsigned int",
1200     i32 0,             ;; Line number
1201     i64 64,            ;; Size in Bits
1202     i64 64,            ;; Align in Bits
1203     i64 0,             ;; Offset in Bits
1204     i32 0,             ;; Flags
1205     i32 7              ;; Encoding
1206   }
1207
1208 float
1209 ^^^^^
1210
1211 .. code-block:: llvm
1212
1213   !2 = metadata !{
1214     i32 786468,        ;; Tag
1215     null,              ;; File
1216     null,              ;; Context
1217     metadata !"float",
1218     i32 0,             ;; Line number
1219     i64 32,            ;; Size in Bits
1220     i64 32,            ;; Align in Bits
1221     i64 0,             ;; Offset in Bits
1222     i32 0,             ;; Flags
1223     i32 4              ;; Encoding
1224   }
1225
1226 double
1227 ^^^^^^
1228
1229 .. code-block:: llvm
1230
1231   !2 = metadata !{
1232     i32 786468,        ;; Tag
1233     null,              ;; File
1234     null,              ;; Context
1235     metadata !"double",;; Name
1236     i32 0,             ;; Line number
1237     i64 64,            ;; Size in Bits
1238     i64 64,            ;; Align in Bits
1239     i64 0,             ;; Offset in Bits
1240     i32 0,             ;; Flags
1241     i32 4              ;; Encoding
1242   }
1243
1244 C/C++ derived types
1245 -------------------
1246
1247 Given the following as an example of C/C++ derived type:
1248
1249 .. code-block:: c
1250
1251   typedef const int *IntPtr;
1252
1253 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1254
1255 .. code-block:: llvm
1256
1257   ;;
1258   ;; Define the typedef "IntPtr".
1259   ;;
1260   !2 = metadata !{
1261     i32 786454,          ;; Tag
1262     metadata !3,         ;; File
1263     metadata !1,         ;; Context
1264     metadata !"IntPtr",  ;; Name
1265     i32 0,               ;; Line number
1266     i64 0,               ;; Size in bits
1267     i64 0,               ;; Align in bits
1268     i64 0,               ;; Offset in bits
1269     i32 0,               ;; Flags
1270     metadata !4          ;; Derived From type
1271   }
1272   ;;
1273   ;; Define the pointer type.
1274   ;;
1275   !4 = metadata !{
1276     i32 786447,          ;; Tag
1277     null,                ;; File
1278     null,                ;; Context
1279     metadata !"",        ;; Name
1280     i32 0,               ;; Line number
1281     i64 64,              ;; Size in bits
1282     i64 64,              ;; Align in bits
1283     i64 0,               ;; Offset in bits
1284     i32 0,               ;; Flags
1285     metadata !5          ;; Derived From type
1286   }
1287   ;;
1288   ;; Define the const type.
1289   ;;
1290   !5 = metadata !{
1291     i32 786470,          ;; Tag
1292     null,                ;; File
1293     null,                ;; Context
1294     metadata !"",        ;; Name
1295     i32 0,               ;; Line number
1296     i64 0,               ;; Size in bits
1297     i64 0,               ;; Align in bits
1298     i64 0,               ;; Offset in bits
1299     i32 0,               ;; Flags
1300     metadata !6          ;; Derived From type
1301   }
1302   ;;
1303   ;; Define the int type.
1304   ;;
1305   !6 = metadata !{
1306     i32 786468,          ;; Tag
1307     null,                ;; File
1308     null,                ;; Context
1309     metadata !"int",     ;; Name
1310     i32 0,               ;; Line number
1311     i64 32,              ;; Size in bits
1312     i64 32,              ;; Align in bits
1313     i64 0,               ;; Offset in bits
1314     i32 0,               ;; Flags
1315     i32 5                ;; Encoding
1316   }
1317
1318 C/C++ struct/union types
1319 ------------------------
1320
1321 Given the following as an example of C/C++ struct type:
1322
1323 .. code-block:: c
1324
1325   struct Color {
1326     unsigned Red;
1327     unsigned Green;
1328     unsigned Blue;
1329   };
1330
1331 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1332
1333 .. code-block:: llvm
1334
1335   ;;
1336   ;; Define basic type for unsigned int.
1337   ;;
1338   !5 = metadata !{
1339     i32 786468,        ;; Tag
1340     null,              ;; File
1341     null,              ;; Context
1342     metadata !"unsigned int",
1343     i32 0,             ;; Line number
1344     i64 32,            ;; Size in Bits
1345     i64 32,            ;; Align in Bits
1346     i64 0,             ;; Offset in Bits
1347     i32 0,             ;; Flags
1348     i32 7              ;; Encoding
1349   }
1350   ;;
1351   ;; Define composite type for struct Color.
1352   ;;
1353   !2 = metadata !{
1354     i32 786451,        ;; Tag
1355     metadata !1,       ;; Compile unit
1356     null,              ;; Context
1357     metadata !"Color", ;; Name
1358     i32 1,             ;; Line number
1359     i64 96,            ;; Size in bits
1360     i64 32,            ;; Align in bits
1361     i64 0,             ;; Offset in bits
1362     i32 0,             ;; Flags
1363     null,              ;; Derived From
1364     metadata !3,       ;; Elements
1365     i32 0,             ;; Runtime Language
1366     null,              ;; Base type containing the vtable pointer for this type
1367     null               ;; Template parameters
1368   }
1369
1370   ;;
1371   ;; Define the Red field.
1372   ;;
1373   !4 = metadata !{
1374     i32 786445,        ;; Tag
1375     metadata !1,       ;; File
1376     metadata !1,       ;; Context
1377     metadata !"Red",   ;; Name
1378     i32 2,             ;; Line number
1379     i64 32,            ;; Size in bits
1380     i64 32,            ;; Align in bits
1381     i64 0,             ;; Offset in bits
1382     i32 0,             ;; Flags
1383     metadata !5        ;; Derived From type
1384   }
1385
1386   ;;
1387   ;; Define the Green field.
1388   ;;
1389   !6 = metadata !{
1390     i32 786445,        ;; Tag
1391     metadata !1,       ;; File
1392     metadata !1,       ;; Context
1393     metadata !"Green", ;; Name
1394     i32 3,             ;; Line number
1395     i64 32,            ;; Size in bits
1396     i64 32,            ;; Align in bits
1397     i64 32,             ;; Offset in bits
1398     i32 0,             ;; Flags
1399     metadata !5        ;; Derived From type
1400   }
1401
1402   ;;
1403   ;; Define the Blue field.
1404   ;;
1405   !7 = metadata !{
1406     i32 786445,        ;; Tag
1407     metadata !1,       ;; File
1408     metadata !1,       ;; Context
1409     metadata !"Blue",  ;; Name
1410     i32 4,             ;; Line number
1411     i64 32,            ;; Size in bits
1412     i64 32,            ;; Align in bits
1413     i64 64,             ;; Offset in bits
1414     i32 0,             ;; Flags
1415     metadata !5        ;; Derived From type
1416   }
1417
1418   ;;
1419   ;; Define the array of fields used by the composite type Color.
1420   ;;
1421   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !6, metadata !7}
1422
1423 C/C++ enumeration types
1424 -----------------------
1425
1426 Given the following as an example of C/C++ enumeration type:
1427
1428 .. code-block:: c
1429
1430   enum Trees {
1431     Spruce = 100,
1432     Oak = 200,
1433     Maple = 300
1434   };
1435
1436 a C/C++ front-end would generate the following descriptors:
1437
1438 .. code-block:: llvm
1439
1440   ;;
1441   ;; Define composite type for enum Trees
1442   ;;
1443   !2 = metadata !{
1444     i32 786436,        ;; Tag
1445     metadata !1,       ;; File
1446     metadata !1,       ;; Context
1447     metadata !"Trees", ;; Name
1448     i32 1,             ;; Line number
1449     i64 32,            ;; Size in bits
1450     i64 32,            ;; Align in bits
1451     i64 0,             ;; Offset in bits
1452     i32 0,             ;; Flags
1453     null,              ;; Derived From type
1454     metadata !3,       ;; Elements
1455     i32 0              ;; Runtime language
1456   }
1457
1458   ;;
1459   ;; Define the array of enumerators used by composite type Trees.
1460   ;;
1461   !3 = metadata !{metadata !4, metadata !5, metadata !6}
1462
1463   ;;
1464   ;; Define Spruce enumerator.
1465   ;;
1466   !4 = metadata !{i32 786472, metadata !"Spruce", i64 100}
1467
1468   ;;
1469   ;; Define Oak enumerator.
1470   ;;
1471   !5 = metadata !{i32 786472, metadata !"Oak", i64 200}
1472
1473   ;;
1474   ;; Define Maple enumerator.
1475   ;;
1476   !6 = metadata !{i32 786472, metadata !"Maple", i64 300}
1477
1478 Debugging information format
1479 ============================
1480
1481 Debugging Information Extension for Objective C Properties
1482 ----------------------------------------------------------
1483
1484 Introduction
1485 ^^^^^^^^^^^^
1486
1487 Objective C provides a simpler way to declare and define accessor methods using
1488 declared properties.  The language provides features to declare a property and
1489 to let compiler synthesize accessor methods.
1490
1491 The debugger lets developer inspect Objective C interfaces and their instance
1492 variables and class variables.  However, the debugger does not know anything
1493 about the properties defined in Objective C interfaces.  The debugger consumes
1494 information generated by compiler in DWARF format.  The format does not support
1495 encoding of Objective C properties.  This proposal describes DWARF extensions to
1496 encode Objective C properties, which the debugger can use to let developers
1497 inspect Objective C properties.
1498
1499 Proposal
1500 ^^^^^^^^
1501
1502 Objective C properties exist separately from class members.  A property can be
1503 defined only by "setter" and "getter" selectors, and be calculated anew on each
1504 access.  Or a property can just be a direct access to some declared ivar.
1505 Finally it can have an ivar "automatically synthesized" for it by the compiler,
1506 in which case the property can be referred to in user code directly using the
1507 standard C dereference syntax as well as through the property "dot" syntax, but
1508 there is no entry in the ``@interface`` declaration corresponding to this ivar.
1509
1510 To facilitate debugging, these properties we will add a new DWARF TAG into the
1511 ``DW_TAG_structure_type`` definition for the class to hold the description of a
1512 given property, and a set of DWARF attributes that provide said description.
1513 The property tag will also contain the name and declared type of the property.
1514
1515 If there is a related ivar, there will also be a DWARF property attribute placed
1516 in the ``DW_TAG_member`` DIE for that ivar referring back to the property TAG
1517 for that property.  And in the case where the compiler synthesizes the ivar
1518 directly, the compiler is expected to generate a ``DW_TAG_member`` for that
1519 ivar (with the ``DW_AT_artificial`` set to 1), whose name will be the name used
1520 to access this ivar directly in code, and with the property attribute pointing
1521 back to the property it is backing.
1522
1523 The following examples will serve as illustration for our discussion:
1524
1525 .. code-block:: objc
1526
1527   @interface I1 {
1528     int n2;
1529   }
1530
1531   @property int p1;
1532   @property int p2;
1533   @end
1534
1535   @implementation I1
1536   @synthesize p1;
1537   @synthesize p2 = n2;
1538   @end
1539
1540 This produces the following DWARF (this is a "pseudo dwarfdump" output):
1541
1542 .. code-block:: none
1543
1544   0x00000100:  TAG_structure_type [7] *
1545                  AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1546                  AT_name( "I1" )
1547                  AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1548                  AT_decl_line( 3 )
1549
1550   0x00000110    TAG_APPLE_property
1551                   AT_name ( "p1" )
1552                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1553
1554   0x00000120:   TAG_APPLE_property
1555                   AT_name ( "p2" )
1556                   AT_type ( {0x00000150} ( int ) )
1557
1558   0x00000130:   TAG_member [8]
1559                   AT_name( "_p1" )
1560                   AT_APPLE_property ( {0x00000110} "p1" )
1561                   AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1562                   AT_artificial ( 0x1 )
1563
1564   0x00000140:    TAG_member [8]
1565                    AT_name( "n2" )
1566                    AT_APPLE_property ( {0x00000120} "p2" )
1567                    AT_type( {0x00000150} ( int ) )
1568
1569   0x00000150:  AT_type( ( int ) )
1570
1571 Note, the current convention is that the name of the ivar for an
1572 auto-synthesized property is the name of the property from which it derives
1573 with an underscore prepended, as is shown in the example.  But we actually
1574 don't need to know this convention, since we are given the name of the ivar
1575 directly.
1576
1577 Also, it is common practice in ObjC to have different property declarations in
1578 the @interface and @implementation - e.g. to provide a read-only property in
1579 the interface,and a read-write interface in the implementation.  In that case,
1580 the compiler should emit whichever property declaration will be in force in the
1581 current translation unit.
1582
1583 Developers can decorate a property with attributes which are encoded using
1584 ``DW_AT_APPLE_property_attribute``.
1585
1586 .. code-block:: objc
1587
1588   @property (readonly, nonatomic) int pr;
1589
1590 .. code-block:: none
1591
1592   TAG_APPLE_property [8]
1593     AT_name( "pr" )
1594     AT_type ( {0x00000147} (int) )
1595     AT_APPLE_property_attribute (DW_APPLE_PROPERTY_readonly, DW_APPLE_PROPERTY_nonatomic)
1596
1597 The setter and getter method names are attached to the property using
1598 ``DW_AT_APPLE_property_setter`` and ``DW_AT_APPLE_property_getter`` attributes.
1599
1600 .. code-block:: objc
1601
1602   @interface I1
1603   @property (setter=myOwnP3Setter:) int p3;
1604   -(void)myOwnP3Setter:(int)a;
1605   @end
1606
1607   @implementation I1
1608   @synthesize p3;
1609   -(void)myOwnP3Setter:(int)a{ }
1610   @end
1611
1612 The DWARF for this would be:
1613
1614 .. code-block:: none
1615
1616   0x000003bd: TAG_structure_type [7] *
1617                 AT_APPLE_runtime_class( 0x10 )
1618                 AT_name( "I1" )
1619                 AT_decl_file( "Objc_Property.m" )
1620                 AT_decl_line( 3 )
1621
1622   0x000003cd      TAG_APPLE_property
1623                     AT_name ( "p3" )
1624                     AT_APPLE_property_setter ( "myOwnP3Setter:" )
1625                     AT_type( {0x00000147} ( int ) )
1626
1627   0x000003f3:     TAG_member [8]
1628                     AT_name( "_p3" )
1629                     AT_type ( {0x00000147} ( int ) )
1630                     AT_APPLE_property ( {0x000003cd} )
1631                     AT_artificial ( 0x1 )
1632
1633 New DWARF Tags
1634 ^^^^^^^^^^^^^^
1635
1636 +-----------------------+--------+
1637 | TAG                   | Value  |
1638 +=======================+========+
1639 | DW_TAG_APPLE_property | 0x4200 |
1640 +-----------------------+--------+
1641
1642 New DWARF Attributes
1643 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1644
1645 +--------------------------------+--------+-----------+
1646 | Attribute                      | Value  | Classes   |
1647 +================================+========+===========+
1648 | DW_AT_APPLE_property           | 0x3fed | Reference |
1649 +--------------------------------+--------+-----------+
1650 | DW_AT_APPLE_property_getter    | 0x3fe9 | String    |
1651 +--------------------------------+--------+-----------+
1652 | DW_AT_APPLE_property_setter    | 0x3fea | String    |
1653 +--------------------------------+--------+-----------+
1654 | DW_AT_APPLE_property_attribute | 0x3feb | Constant  |
1655 +--------------------------------+--------+-----------+
1656
1657 New DWARF Constants
1658 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1659
1660 +--------------------------------+-------+
1661 | Name                           | Value |
1662 +================================+=======+
1663 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readonly  | 0x1   |
1664 +--------------------------------+-------+
1665 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_readwrite | 0x2   |
1666 +--------------------------------+-------+
1667 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_assign    | 0x4   |
1668 +--------------------------------+-------+
1669 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_retain    | 0x8   |
1670 +--------------------------------+-------+
1671 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_copy      | 0x10  |
1672 +--------------------------------+-------+
1673 | DW_AT_APPLE_PROPERTY_nonatomic | 0x20  |
1674 +--------------------------------+-------+
1675
1676 Name Accelerator Tables
1677 -----------------------
1678
1679 Introduction
1680 ^^^^^^^^^^^^
1681
1682 The "``.debug_pubnames``" and "``.debug_pubtypes``" formats are not what a
1683 debugger needs.  The "``pub``" in the section name indicates that the entries
1684 in the table are publicly visible names only.  This means no static or hidden
1685 functions show up in the "``.debug_pubnames``".  No static variables or private
1686 class variables are in the "``.debug_pubtypes``".  Many compilers add different
1687 things to these tables, so we can't rely upon the contents between gcc, icc, or
1688 clang.
1689
1690 The typical query given by users tends not to match up with the contents of
1691 these tables.  For example, the DWARF spec states that "In the case of the name
1692 of a function member or static data member of a C++ structure, class or union,
1693 the name presented in the "``.debug_pubnames``" section is not the simple name
1694 given by the ``DW_AT_name attribute`` of the referenced debugging information
1695 entry, but rather the fully qualified name of the data or function member."
1696 So the only names in these tables for complex C++ entries is a fully
1697 qualified name.  Debugger users tend not to enter their search strings as
1698 "``a::b::c(int,const Foo&) const``", but rather as "``c``", "``b::c``" , or
1699 "``a::b::c``".  So the name entered in the name table must be demangled in
1700 order to chop it up appropriately and additional names must be manually entered
1701 into the table to make it effective as a name lookup table for debuggers to
1702 se.
1703
1704 All debuggers currently ignore the "``.debug_pubnames``" table as a result of
1705 its inconsistent and useless public-only name content making it a waste of
1706 space in the object file.  These tables, when they are written to disk, are not
1707 sorted in any way, leaving every debugger to do its own parsing and sorting.
1708 These tables also include an inlined copy of the string values in the table
1709 itself making the tables much larger than they need to be on disk, especially
1710 for large C++ programs.
1711
1712 Can't we just fix the sections by adding all of the names we need to this
1713 table? No, because that is not what the tables are defined to contain and we
1714 won't know the difference between the old bad tables and the new good tables.
1715 At best we could make our own renamed sections that contain all of the data we
1716 need.
1717
1718 These tables are also insufficient for what a debugger like LLDB needs.  LLDB
1719 uses clang for its expression parsing where LLDB acts as a PCH.  LLDB is then
1720 often asked to look for type "``foo``" or namespace "``bar``", or list items in
1721 namespace "``baz``".  Namespaces are not included in the pubnames or pubtypes
1722 tables.  Since clang asks a lot of questions when it is parsing an expression,
1723 we need to be very fast when looking up names, as it happens a lot.  Having new
1724 accelerator tables that are optimized for very quick lookups will benefit this
1725 type of debugging experience greatly.
1726
1727 We would like to generate name lookup tables that can be mapped into memory
1728 from disk, and used as is, with little or no up-front parsing.  We would also
1729 be able to control the exact content of these different tables so they contain
1730 exactly what we need.  The Name Accelerator Tables were designed to fix these
1731 issues.  In order to solve these issues we need to:
1732
1733 * Have a format that can be mapped into memory from disk and used as is
1734 * Lookups should be very fast
1735 * Extensible table format so these tables can be made by many producers
1736 * Contain all of the names needed for typical lookups out of the box
1737 * Strict rules for the contents of tables
1738
1739 Table size is important and the accelerator table format should allow the reuse
1740 of strings from common string tables so the strings for the names are not
1741 duplicated.  We also want to make sure the table is ready to be used as-is by
1742 simply mapping the table into memory with minimal header parsing.
1743
1744 The name lookups need to be fast and optimized for the kinds of lookups that
1745 debuggers tend to do.  Optimally we would like to touch as few parts of the
1746 mapped table as possible when doing a name lookup and be able to quickly find
1747 the name entry we are looking for, or discover there are no matches.  In the
1748 case of debuggers we optimized for lookups that fail most of the time.
1749
1750 Each table that is defined should have strict rules on exactly what is in the
1751 accelerator tables and documented so clients can rely on the content.
1752
1753 Hash Tables
1754 ^^^^^^^^^^^
1755
1756 Standard Hash Tables
1757 """"""""""""""""""""
1758
1759 Typical hash tables have a header, buckets, and each bucket points to the
1760 bucket contents:
1761
1762 .. code-block:: none
1763
1764   .------------.
1765   |  HEADER    |
1766   |------------|
1767   |  BUCKETS   |
1768   |------------|
1769   |  DATA      |
1770   `------------'
1771
1772 The BUCKETS are an array of offsets to DATA for each hash:
1773
1774 .. code-block:: none
1775
1776   .------------.
1777   | 0x00001000 | BUCKETS[0]
1778   | 0x00002000 | BUCKETS[1]
1779   | 0x00002200 | BUCKETS[2]
1780   | 0x000034f0 | BUCKETS[3]
1781   |            | ...
1782   | 0xXXXXXXXX | BUCKETS[n_buckets]
1783   '------------'
1784
1785 So for ``bucket[3]`` in the example above, we have an offset into the table
1786 0x000034f0 which points to a chain of entries for the bucket.  Each bucket must
1787 contain a next pointer, full 32 bit hash value, the string itself, and the data
1788 for the current string value.
1789
1790 .. code-block:: none
1791
1792               .------------.
1793   0x000034f0: | 0x00003500 | next pointer
1794               | 0x12345678 | 32 bit hash
1795               | "erase"    | string value
1796               | data[n]    | HashData for this bucket
1797               |------------|
1798   0x00003500: | 0x00003550 | next pointer
1799               | 0x29273623 | 32 bit hash
1800               | "dump"     | string value
1801               | data[n]    | HashData for this bucket
1802               |------------|
1803   0x00003550: | 0x00000000 | next pointer
1804               | 0x82638293 | 32 bit hash
1805               | "main"     | string value
1806               | data[n]    | HashData for this bucket
1807               `------------'
1808
1809 The problem with this layout for debuggers is that we need to optimize for the
1810 negative lookup case where the symbol we're searching for is not present.  So
1811 if we were to lookup "``printf``" in the table above, we would make a 32 hash
1812 for "``printf``", it might match ``bucket[3]``.  We would need to go to the
1813 offset 0x000034f0 and start looking to see if our 32 bit hash matches.  To do
1814 so, we need to read the next pointer, then read the hash, compare it, and skip
1815 to the next bucket.  Each time we are skipping many bytes in memory and
1816 touching new cache pages just to do the compare on the full 32 bit hash.  All
1817 of these accesses then tell us that we didn't have a match.
1818
1819 Name Hash Tables
1820 """"""""""""""""
1821
1822 To solve the issues mentioned above we have structured the hash tables a bit
1823 differently: a header, buckets, an array of all unique 32 bit hash values,
1824 followed by an array of hash value data offsets, one for each hash value, then
1825 the data for all hash values:
1826
1827 .. code-block:: none
1828
1829   .-------------.
1830   |  HEADER     |
1831   |-------------|
1832   |  BUCKETS    |
1833   |-------------|
1834   |  HASHES     |
1835   |-------------|
1836   |  OFFSETS    |
1837   |-------------|
1838   |  DATA       |
1839   `-------------'
1840
1841 The ``BUCKETS`` in the name tables are an index into the ``HASHES`` array.  By
1842 making all of the full 32 bit hash values contiguous in memory, we allow
1843 ourselves to efficiently check for a match while touching as little memory as
1844 possible.  Most often checking the 32 bit hash values is as far as the lookup
1845 goes.  If it does match, it usually is a match with no collisions.  So for a
1846 table with "``n_buckets``" buckets, and "``n_hashes``" unique 32 bit hash
1847 values, we can clarify the contents of the ``BUCKETS``, ``HASHES`` and
1848 ``OFFSETS`` as:
1849
1850 .. code-block:: none
1851
1852   .-------------------------.
1853   |  HEADER.magic           | uint32_t
1854   |  HEADER.version         | uint16_t
1855   |  HEADER.hash_function   | uint16_t
1856   |  HEADER.bucket_count    | uint32_t
1857   |  HEADER.hashes_count    | uint32_t
1858   |  HEADER.header_data_len | uint32_t
1859   |  HEADER_DATA            | HeaderData
1860   |-------------------------|
1861   |  BUCKETS                | uint32_t[n_buckets] // 32 bit hash indexes
1862   |-------------------------|
1863   |  HASHES                 | uint32_t[n_hashes] // 32 bit hash values
1864   |-------------------------|
1865   |  OFFSETS                | uint32_t[n_hashes] // 32 bit offsets to hash value data
1866   |-------------------------|
1867   |  ALL HASH DATA          |
1868   `-------------------------'
1869
1870 So taking the exact same data from the standard hash example above we end up
1871 with:
1872
1873 .. code-block:: none
1874
1875               .------------.
1876               | HEADER     |
1877               |------------|
1878               |          0 | BUCKETS[0]
1879               |          2 | BUCKETS[1]
1880               |          5 | BUCKETS[2]
1881               |          6 | BUCKETS[3]
1882               |            | ...
1883               |        ... | BUCKETS[n_buckets]
1884               |------------|
1885               | 0x........ | HASHES[0]
1886               | 0x........ | HASHES[1]
1887               | 0x........ | HASHES[2]
1888               | 0x........ | HASHES[3]
1889               | 0x........ | HASHES[4]
1890               | 0x........ | HASHES[5]
1891               | 0x12345678 | HASHES[6]    hash for BUCKETS[3]
1892               | 0x29273623 | HASHES[7]    hash for BUCKETS[3]
1893               | 0x82638293 | HASHES[8]    hash for BUCKETS[3]
1894               | 0x........ | HASHES[9]
1895               | 0x........ | HASHES[10]
1896               | 0x........ | HASHES[11]
1897               | 0x........ | HASHES[12]
1898               | 0x........ | HASHES[13]
1899               | 0x........ | HASHES[n_hashes]
1900               |------------|
1901               | 0x........ | OFFSETS[0]
1902               | 0x........ | OFFSETS[1]
1903               | 0x........ | OFFSETS[2]
1904               | 0x........ | OFFSETS[3]
1905               | 0x........ | OFFSETS[4]
1906               | 0x........ | OFFSETS[5]
1907               | 0x000034f0 | OFFSETS[6]   offset for BUCKETS[3]
1908               | 0x00003500 | OFFSETS[7]   offset for BUCKETS[3]
1909               | 0x00003550 | OFFSETS[8]   offset for BUCKETS[3]
1910               | 0x........ | OFFSETS[9]
1911               | 0x........ | OFFSETS[10]
1912               | 0x........ | OFFSETS[11]
1913               | 0x........ | OFFSETS[12]
1914               | 0x........ | OFFSETS[13]
1915               | 0x........ | OFFSETS[n_hashes]
1916               |------------|
1917               |            |
1918               |            |
1919               |            |
1920               |            |
1921               |            |
1922               |------------|
1923   0x000034f0: | 0x00001203 | .debug_str ("erase")
1924               | 0x00000004 | A 32 bit array count - number of HashData with name "erase"
1925               | 0x........ | HashData[0]
1926               | 0x........ | HashData[1]
1927               | 0x........ | HashData[2]
1928               | 0x........ | HashData[3]
1929               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1930               |------------|
1931   0x00003500: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("collision")
1932               | 0x00000002 | A 32 bit array count - number of HashData with name "collision"
1933               | 0x........ | HashData[0]
1934               | 0x........ | HashData[1]
1935               | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("dump")
1936               | 0x00000003 | A 32 bit array count - number of HashData with name "dump"
1937               | 0x........ | HashData[0]
1938               | 0x........ | HashData[1]
1939               | 0x........ | HashData[2]
1940               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1941               |------------|
1942   0x00003550: | 0x00001203 | String offset into .debug_str ("main")
1943               | 0x00000009 | A 32 bit array count - number of HashData with name "main"
1944               | 0x........ | HashData[0]
1945               | 0x........ | HashData[1]
1946               | 0x........ | HashData[2]
1947               | 0x........ | HashData[3]
1948               | 0x........ | HashData[4]
1949               | 0x........ | HashData[5]
1950               | 0x........ | HashData[6]
1951               | 0x........ | HashData[7]
1952               | 0x........ | HashData[8]
1953               | 0x00000000 | String offset into .debug_str (terminate data for hash)
1954               `------------'
1955
1956 So we still have all of the same data, we just organize it more efficiently for
1957 debugger lookup.  If we repeat the same "``printf``" lookup from above, we
1958 would hash "``printf``" and find it matches ``BUCKETS[3]`` by taking the 32 bit
1959 hash value and modulo it by ``n_buckets``.  ``BUCKETS[3]`` contains "6" which
1960 is the index into the ``HASHES`` table.  We would then compare any consecutive
1961 32 bit hashes values in the ``HASHES`` array as long as the hashes would be in
1962 ``BUCKETS[3]``.  We do this by verifying that each subsequent hash value modulo
1963 ``n_buckets`` is still 3.  In the case of a failed lookup we would access the
1964 memory for ``BUCKETS[3]``, and then compare a few consecutive 32 bit hashes
1965 before we know that we have no match.  We don't end up marching through
1966 multiple words of memory and we really keep the number of processor data cache
1967 lines being accessed as small as possible.
1968
1969 The string hash that is used for these lookup tables is the Daniel J.
1970 Bernstein hash which is also used in the ELF ``GNU_HASH`` sections.  It is a
1971 very good hash for all kinds of names in programs with very few hash
1972 collisions.
1973
1974 Empty buckets are designated by using an invalid hash index of ``UINT32_MAX``.
1975
1976 Details
1977 ^^^^^^^
1978
1979 These name hash tables are designed to be generic where specializations of the
1980 table get to define additional data that goes into the header ("``HeaderData``"),
1981 how the string value is stored ("``KeyType``") and the content of the data for each
1982 hash value.
1983
1984 Header Layout
1985 """""""""""""
1986
1987 The header has a fixed part, and the specialized part.  The exact format of the
1988 header is:
1989
1990 .. code-block:: c
1991
1992   struct Header
1993   {
1994     uint32_t   magic;           // 'HASH' magic value to allow endian detection
1995     uint16_t   version;         // Version number
1996     uint16_t   hash_function;   // The hash function enumeration that was used
1997     uint32_t   bucket_count;    // The number of buckets in this hash table
1998     uint32_t   hashes_count;    // The total number of unique hash values and hash data offsets in this table
1999     uint32_t   header_data_len; // The bytes to skip to get to the hash indexes (buckets) for correct alignment
2000                                 // Specifically the length of the following HeaderData field - this does not
2001                                 // include the size of the preceding fields
2002     HeaderData header_data;     // Implementation specific header data
2003   };
2004
2005 The header starts with a 32 bit "``magic``" value which must be ``'HASH'``
2006 encoded as an ASCII integer.  This allows the detection of the start of the
2007 hash table and also allows the table's byte order to be determined so the table
2008 can be correctly extracted.  The "``magic``" value is followed by a 16 bit
2009 ``version`` number which allows the table to be revised and modified in the
2010 future.  The current version number is 1. ``hash_function`` is a ``uint16_t``
2011 enumeration that specifies which hash function was used to produce this table.
2012 The current values for the hash function enumerations include:
2013
2014 .. code-block:: c
2015
2016   enum HashFunctionType
2017   {
2018     eHashFunctionDJB = 0u, // Daniel J Bernstein hash function
2019   };
2020
2021 ``bucket_count`` is a 32 bit unsigned integer that represents how many buckets
2022 are in the ``BUCKETS`` array.  ``hashes_count`` is the number of unique 32 bit
2023 hash values that are in the ``HASHES`` array, and is the same number of offsets
2024 are contained in the ``OFFSETS`` array.  ``header_data_len`` specifies the size
2025 in bytes of the ``HeaderData`` that is filled in by specialized versions of
2026 this table.
2027
2028 Fixed Lookup
2029 """"""""""""
2030
2031 The header is followed by the buckets, hashes, offsets, and hash value data.
2032
2033 .. code-block:: c
2034
2035   struct FixedTable
2036   {
2037     uint32_t buckets[Header.bucket_count];  // An array of hash indexes into the "hashes[]" array below
2038     uint32_t hashes [Header.hashes_count];  // Every unique 32 bit hash for the entire table is in this table
2039     uint32_t offsets[Header.hashes_count];  // An offset that corresponds to each item in the "hashes[]" array above
2040   };
2041
2042 ``buckets`` is an array of 32 bit indexes into the ``hashes`` array.  The
2043 ``hashes`` array contains all of the 32 bit hash values for all names in the
2044 hash table.  Each hash in the ``hashes`` table has an offset in the ``offsets``
2045 array that points to the data for the hash value.
2046
2047 This table setup makes it very easy to repurpose these tables to contain
2048 different data, while keeping the lookup mechanism the same for all tables.
2049 This layout also makes it possible to save the table to disk and map it in
2050 later and do very efficient name lookups with little or no parsing.
2051
2052 DWARF lookup tables can be implemented in a variety of ways and can store a lot
2053 of information for each name.  We want to make the DWARF tables extensible and
2054 able to store the data efficiently so we have used some of the DWARF features
2055 that enable efficient data storage to define exactly what kind of data we store
2056 for each name.
2057
2058 The ``HeaderData`` contains a definition of the contents of each HashData chunk.
2059 We might want to store an offset to all of the debug information entries (DIEs)
2060 for each name.  To keep things extensible, we create a list of items, or
2061 Atoms, that are contained in the data for each name.  First comes the type of
2062 the data in each atom:
2063
2064 .. code-block:: c
2065
2066   enum AtomType
2067   {
2068     eAtomTypeNULL       = 0u,
2069     eAtomTypeDIEOffset  = 1u,   // DIE offset, check form for encoding
2070     eAtomTypeCUOffset   = 2u,   // DIE offset of the compiler unit header that contains the item in question
2071     eAtomTypeTag        = 3u,   // DW_TAG_xxx value, should be encoded as DW_FORM_data1 (if no tags exceed 255) or DW_FORM_data2
2072     eAtomTypeNameFlags  = 4u,   // Flags from enum NameFlags
2073     eAtomTypeTypeFlags  = 5u,   // Flags from enum TypeFlags
2074   };
2075
2076 The enumeration values and their meanings are:
2077
2078 .. code-block:: none
2079
2080   eAtomTypeNULL       - a termination atom that specifies the end of the atom list
2081   eAtomTypeDIEOffset  - an offset into the .debug_info section for the DWARF DIE for this name
2082   eAtomTypeCUOffset   - an offset into the .debug_info section for the CU that contains the DIE
2083   eAtomTypeDIETag     - The DW_TAG_XXX enumeration value so you don't have to parse the DWARF to see what it is
2084   eAtomTypeNameFlags  - Flags for functions and global variables (isFunction, isInlined, isExternal...)
2085   eAtomTypeTypeFlags  - Flags for types (isCXXClass, isObjCClass, ...)
2086
2087 Then we allow each atom type to define the atom type and how the data for each
2088 atom type data is encoded:
2089
2090 .. code-block:: c
2091
2092   struct Atom
2093   {
2094     uint16_t type;  // AtomType enum value
2095     uint16_t form;  // DWARF DW_FORM_XXX defines
2096   };
2097
2098 The ``form`` type above is from the DWARF specification and defines the exact
2099 encoding of the data for the Atom type.  See the DWARF specification for the
2100 ``DW_FORM_`` definitions.
2101
2102 .. code-block:: c
2103
2104   struct HeaderData
2105   {
2106     uint32_t die_offset_base;
2107     uint32_t atom_count;
2108     Atoms    atoms[atom_count0];
2109   };
2110
2111 ``HeaderData`` defines the base DIE offset that should be added to any atoms
2112 that are encoded using the ``DW_FORM_ref1``, ``DW_FORM_ref2``,
2113 ``DW_FORM_ref4``, ``DW_FORM_ref8`` or ``DW_FORM_ref_udata``.  It also defines
2114 what is contained in each ``HashData`` object -- ``Atom.form`` tells us how large
2115 each field will be in the ``HashData`` and the ``Atom.type`` tells us how this data
2116 should be interpreted.
2117
2118 For the current implementations of the "``.apple_names``" (all functions +
2119 globals), the "``.apple_types``" (names of all types that are defined), and
2120 the "``.apple_namespaces``" (all namespaces), we currently set the ``Atom``
2121 array to be:
2122
2123 .. code-block:: c
2124
2125   HeaderData.atom_count = 1;
2126   HeaderData.atoms[0].type = eAtomTypeDIEOffset;
2127   HeaderData.atoms[0].form = DW_FORM_data4;
2128
2129 This defines the contents to be the DIE offset (eAtomTypeDIEOffset) that is
2130 encoded as a 32 bit value (DW_FORM_data4).  This allows a single name to have
2131 multiple matching DIEs in a single file, which could come up with an inlined
2132 function for instance.  Future tables could include more information about the
2133 DIE such as flags indicating if the DIE is a function, method, block,
2134 or inlined.
2135
2136 The KeyType for the DWARF table is a 32 bit string table offset into the
2137 ".debug_str" table.  The ".debug_str" is the string table for the DWARF which
2138 may already contain copies of all of the strings.  This helps make sure, with
2139 help from the compiler, that we reuse the strings between all of the DWARF
2140 sections and keeps the hash table size down.  Another benefit to having the
2141 compiler generate all strings as DW_FORM_strp in the debug info, is that
2142 DWARF parsing can be made much faster.
2143
2144 After a lookup is made, we get an offset into the hash data.  The hash data
2145 needs to be able to deal with 32 bit hash collisions, so the chunk of data
2146 at the offset in the hash data consists of a triple:
2147
2148 .. code-block:: c
2149
2150   uint32_t str_offset
2151   uint32_t hash_data_count
2152   HashData[hash_data_count]
2153
2154 If "str_offset" is zero, then the bucket contents are done. 99.9% of the
2155 hash data chunks contain a single item (no 32 bit hash collision):
2156
2157 .. code-block:: none
2158
2159   .------------.
2160   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2161   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2162   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2163   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2164   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2165   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2166   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2167   `------------'
2168
2169 If there are collisions, you will have multiple valid string offsets:
2170
2171 .. code-block:: none
2172
2173   .------------.
2174   | 0x00001023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0001023] => "main")
2175   | 0x00000004 | uint32_t HashData count
2176   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2177   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2178   | 0x........ | uint32_t HashData[2] DIE offset
2179   | 0x........ | uint32_t HashData[3] DIE offset
2180   | 0x00002023 | uint32_t KeyType (.debug_str[0x0002023] => "print")
2181   | 0x00000002 | uint32_t HashData count
2182   | 0x........ | uint32_t HashData[0] DIE offset
2183   | 0x........ | uint32_t HashData[1] DIE offset
2184   | 0x00000000 | uint32_t KeyType (end of hash chain)
2185   `------------'
2186
2187 Current testing with real world C++ binaries has shown that there is around 1
2188 32 bit hash collision per 100,000 name entries.
2189
2190 Contents
2191 ^^^^^^^^
2192
2193 As we said, we want to strictly define exactly what is included in the
2194 different tables.  For DWARF, we have 3 tables: "``.apple_names``",
2195 "``.apple_types``", and "``.apple_namespaces``".
2196
2197 "``.apple_names``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2198 ``DW_TAG`` is a ``DW_TAG_label``, ``DW_TAG_inlined_subroutine``, or
2199 ``DW_TAG_subprogram`` that has address attributes: ``DW_AT_low_pc``,
2200 ``DW_AT_high_pc``, ``DW_AT_ranges`` or ``DW_AT_entry_pc``.  It also contains
2201 ``DW_TAG_variable`` DIEs that have a ``DW_OP_addr`` in the location (global and
2202 static variables).  All global and static variables should be included,
2203 including those scoped within functions and classes.  For example using the
2204 following code:
2205
2206 .. code-block:: c
2207
2208   static int var = 0;
2209
2210   void f ()
2211   {
2212     static int var = 0;
2213   }
2214
2215 Both of the static ``var`` variables would be included in the table.  All
2216 functions should emit both their full names and their basenames.  For C or C++,
2217 the full name is the mangled name (if available) which is usually in the
2218 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, and the ``DW_AT_name`` contains the
2219 function basename.  If global or static variables have a mangled name in a
2220 ``DW_AT_MIPS_linkage_name`` attribute, this should be emitted along with the
2221 simple name found in the ``DW_AT_name`` attribute.
2222
2223 "``.apple_types``" sections should contain an entry for each DWARF DIE whose
2224 tag is one of:
2225
2226 * DW_TAG_array_type
2227 * DW_TAG_class_type
2228 * DW_TAG_enumeration_type
2229 * DW_TAG_pointer_type
2230 * DW_TAG_reference_type
2231 * DW_TAG_string_type
2232 * DW_TAG_structure_type
2233 * DW_TAG_subroutine_type
2234 * DW_TAG_typedef
2235 * DW_TAG_union_type
2236 * DW_TAG_ptr_to_member_type
2237 * DW_TAG_set_type
2238 * DW_TAG_subrange_type
2239 * DW_TAG_base_type
2240 * DW_TAG_const_type
2241 * DW_TAG_constant
2242 * DW_TAG_file_type
2243 * DW_TAG_namelist
2244 * DW_TAG_packed_type
2245 * DW_TAG_volatile_type
2246 * DW_TAG_restrict_type
2247 * DW_TAG_interface_type
2248 * DW_TAG_unspecified_type
2249 * DW_TAG_shared_type
2250
2251 Only entries with a ``DW_AT_name`` attribute are included, and the entry must
2252 not be a forward declaration (``DW_AT_declaration`` attribute with a non-zero
2253 value).  For example, using the following code:
2254
2255 .. code-block:: c
2256
2257   int main ()
2258   {
2259     int *b = 0;
2260     return *b;
2261   }
2262
2263 We get a few type DIEs:
2264
2265 .. code-block:: none
2266
2267   0x00000067:     TAG_base_type [5]
2268                   AT_encoding( DW_ATE_signed )
2269                   AT_name( "int" )
2270                   AT_byte_size( 0x04 )
2271
2272   0x0000006e:     TAG_pointer_type [6]
2273                   AT_type( {0x00000067} ( int ) )
2274                   AT_byte_size( 0x08 )
2275
2276 The DW_TAG_pointer_type is not included because it does not have a ``DW_AT_name``.
2277
2278 "``.apple_namespaces``" section should contain all ``DW_TAG_namespace`` DIEs.
2279 If we run into a namespace that has no name this is an anonymous namespace, and
2280 the name should be output as "``(anonymous namespace)``" (without the quotes).
2281 Why?  This matches the output of the ``abi::cxa_demangle()`` that is in the
2282 standard C++ library that demangles mangled names.
2283
2284
2285 Language Extensions and File Format Changes
2286 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
2287
2288 Objective-C Extensions
2289 """"""""""""""""""""""
2290
2291 "``.apple_objc``" section should contain all ``DW_TAG_subprogram`` DIEs for an
2292 Objective-C class.  The name used in the hash table is the name of the
2293 Objective-C class itself.  If the Objective-C class has a category, then an
2294 entry is made for both the class name without the category, and for the class
2295 name with the category.  So if we have a DIE at offset 0x1234 with a name of
2296 method "``-[NSString(my_additions) stringWithSpecialString:]``", we would add
2297 an entry for "``NSString``" that points to DIE 0x1234, and an entry for
2298 "``NSString(my_additions)``" that points to 0x1234.  This allows us to quickly
2299 track down all Objective-C methods for an Objective-C class when doing
2300 expressions.  It is needed because of the dynamic nature of Objective-C where
2301 anyone can add methods to a class.  The DWARF for Objective-C methods is also
2302 emitted differently from C++ classes where the methods are not usually
2303 contained in the class definition, they are scattered about across one or more
2304 compile units.  Categories can also be defined in different shared libraries.
2305 So we need to be able to quickly find all of the methods and class functions
2306 given the Objective-C class name, or quickly find all methods and class
2307 functions for a class + category name.  This table does not contain any
2308 selector names, it just maps Objective-C class names (or class names +
2309 category) to all of the methods and class functions.  The selectors are added
2310 as function basenames in the "``.debug_names``" section.
2311
2312 In the "``.apple_names``" section for Objective-C functions, the full name is
2313 the entire function name with the brackets ("``-[NSString
2314 stringWithCString:]``") and the basename is the selector only
2315 ("``stringWithCString:``").
2316
2317 Mach-O Changes
2318 """"""""""""""
2319
2320 The sections names for the apple hash tables are for non-mach-o files.  For
2321 mach-o files, the sections should be contained in the ``__DWARF`` segment with
2322 names as follows:
2323
2324 * "``.apple_names``" -> "``__apple_names``"
2325 * "``.apple_types``" -> "``__apple_types``"
2326 * "``.apple_namespaces``" -> "``__apple_namespac``" (16 character limit)
2327 * "``.apple_objc``" -> "``__apple_objc``"
2328