[PM] Give slightly less horrible names to the utility pass templates for
[oota-llvm.git] / docs / Statepoints.rst
1 =====================================
2 Garbage Collection Safepoints in LLVM
3 =====================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
8
9 Status
10 =======
11
12 This document describes a set of experimental extensions to LLVM. Use
13 with caution.  Because the intrinsics have experimental status,
14 compatibility across LLVM releases is not guaranteed.
15
16 LLVM currently supports an alternate mechanism for conservative
17 garbage collection support using the gc_root intrinsic.  The mechanism
18 described here shares little in common with the alternate
19 implementation and it is hoped that this mechanism will eventually
20 replace the gc_root mechanism.
21
22 Overview
23 ========
24
25 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
26 any references to objects contained within executing code, and,
27 depending on the collector, potentially update them.  The collector
28 does not need this information at all points in code - that would make
29 the problem much harder - but only at well-defined points in the
30 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
31 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
32 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
33 running code, a higher standard is required.
34
35 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
36 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
37 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
38 intermediate value must yield an address within the bounds of the
39 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
40 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
41 runtime value of an address to indicate the object it is associated
42 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
43 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
44 its allocation.
45
46 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
47 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
48 load barriers, store barriers, and safepoints.
49
50 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
51    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
52    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
53    loads, merely loads of a particular type (in the original source
54    language), or none at all.
55
56 #. Analogously, a store barrier is a code fragement that runs
57    immediately before the machine store instruction, but after the
58    computation of the value stored.  The most common use of a store
59    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
60    collector.
61
62 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
63    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
64    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
65    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
66    pointed to will not.
67
68   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
69   both the location at which the machine state is parsable and the
70   coordination protocol involved in bring application threads to a
71   point at which the collector can safely use that information.  The
72   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
73   former.
74
75 This document focuses on the last item - compiler support for
76 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
77 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
78 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
79 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
80 the collector must be able to:
81
82 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
83    the compiler itself) at the safepoint,
84 #. identify which object each pointer relates to, and
85 #. potentially update each of those copies.
86
87 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
88 can provide this information to a language runtime/collector, and
89 ensure that all pointers can be read and updated if desired.  The
90 heart of the approach is to construct (or rewrite) the IR in a manner
91 where the possible updates performed by the garbage collector are
92 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
93
94 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
95    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
96    reachable after the safepoint,
97 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
98    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
99    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
100    from performing unsound optimizations.
101 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
102    associated with) for each statepoint.
103
104 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
105 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
106 function which both calls the original target of the call, returns
107 it's result, and returns updated values for any live pointers to
108 garbage collected objects.
109
110   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
111   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
112   base object for every such live pointer, and inserting all the
113   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
114   The recommended approach is described in the section of Late
115   Safepoint Placement below.
116
117 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
118 intrinsic calls known as a 'statepoint sequence'.
119
120
121 Let's consider a simple call in LLVM IR:
122   todo
123
124 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the
125 execution of the function called from this site.  If so, we need to
126 let the collector update local values in the current frame.
127
128 Let's say we need to relocate SSA values 'a', 'b', and 'c' at this
129 safepoint.  To represent this, we would generate the statepoint
130 sequence:
131
132   todo
133
134 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
135 return value function (where M is the number of values being
136 relocated + the original call arguments and N is the original return
137 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
138 representation.
139
140 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
141 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
142 exists only at compile time).  To get back the original return value
143 of the call, we use the 'gc.result' intrinsic.  To get the relocation
144 of each pointer in turn, we use the 'gc.relocate' intrinsic with the
145 appropriate index.  Note that both the gc.relocate and gc.result are
146 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint sequence"
147 and represents the entitety of a parseable call or 'statepoint'.
148
149 When lowered, this example would generate the following x86 assembly::
150   put assembly here
151
152 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
153 stack, and a record of that location has been recorded to the
154 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
155 needs to update any of these pointers during the call, it knows
156 exactly what to change.
157
158 Intrinsics
159 ===========
160
161 '''gc.statepoint''' Intrinsic
162 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
163
164 Syntax:
165 """""""
166
167 ::
168
169       declare i32
170         @gc.statepoint(func_type <target>, i64 <#call args>. 
171                        i64 <unused>, ... (call parameters),
172                        i64 <# deopt args>, ... (deopt parameters),
173                        ... (gc parameters))
174
175 Overview:
176 """""""""
177
178 The statepoint intrinsic represents a call which is parse-able by the
179 runtime.
180
181 Operands:
182 """""""""
183
184 The 'target' operand is the function actually being called.  The
185 target can be specified as either a symbolic LLVM function, or as an
186 arbitrary Value of appropriate function type.  Note that the function
187 type must match the signature of the callee and the types of the 'call
188 parameters' arguments.
189
190 The '#call args' operand is the number of arguments to the actual
191 call.  It must exactly match the number of arguments passed in the
192 'call parameters' variable length section.
193
194 The 'unused' operand is unused and likely to be removed.  Please do
195 not use.
196
197 The 'call parameters' arguments are simply the arguments which need to
198 be passed to the call target.  They will be lowered according to the
199 specified calling convention and otherwise handled like a normal call
200 instruction.  The number of arguments must exactly match what is
201 specified in '# call args'.  The types must match the signature of
202 'target'.
203
204 The 'deopt parameters' arguments contain an arbitrary list of Values
205 which is meaningful to the runtime.  The runtime may read any of these
206 values, but is assumed not to modify them.  If the garbage collector
207 might need to modify one of these values, it must also be listed in
208 the 'gc pointer' argument list.  The '# deopt args' field indicates
209 how many operands are to be interpreted as 'deopt parameters'.
210
211 The 'gc parameters' arguments contain every pointer to a garbage
212 collector object which potentially needs to be updated by the garbage
213 collector.  Note that the argument list must explicitly contain a base
214 pointer for every derived pointer listed.  The order of arguments is
215 unimportant.  Unlike the other variable length parameter sets, this
216 list is not length prefixed.
217
218 Semantics:
219 """"""""""
220
221 A statepoint is assumed to read and write all memory.  As a result,
222 memory operations can not be reordered past a statepoint.  It is
223 illegal to mark a statepoint as being either 'readonly' or 'readnone'.
224
225 Note that legal IR can not perform any memory operation on a 'gc
226 pointer' argument of the statepoint in a location statically reachable
227 from the statepoint.  Instead, the explicitly relocated value (from a
228 ''gc.relocate'') must be used.
229
230 '''gc.result''' Intrinsic
231 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
232
233 Syntax:
234 """""""
235
236 ::
237
238       declare type*
239         @gc.result_ptr(i32 %statepoint_token)
240
241       declare fX
242         @gc.result_float(i32 %statepoint_token)
243
244       declare iX
245         @gc.result_int(i32 %statepoint_token)
246
247 Overview:
248 """""""""
249
250 '''gc.result''' extracts the result of the original call instruction
251 which was replaced by the '''gc.statepoint'''.  The '''gc.result'''
252 intrinsic is actually a family of three intrinsics due to an
253 implementation limitation.  Other than the type of the return value,
254 the semantics are the same.
255
256 Operands:
257 """""""""
258
259 The first and only argument is the '''gc.statepoint''' which starts
260 the safepoint sequence of which this '''gc.result'' is a part.
261 Despite the typing of this as a generic i32, *only* the value defined
262 by a '''gc.statepoint''' is legal here.
263
264 Semantics:
265 """"""""""
266
267 The ''gc.result'' represents the return value of the call target of
268 the ''statepoint''.  The type of the ''gc.result'' must exactly match
269 the type of the target.  If the call target returns void, there will
270 be no ''gc.result''.
271
272 A ''gc.result'' is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
273 side effects since it is just a projection of the return value of the
274 previous call represented by the ''gc.statepoint''.
275
276 '''gc.relocate''' Intrinsic
277 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
278
279 Syntax:
280 """""""
281
282 ::
283
284       declare <type> addrspace(1)*
285         @gc.relocate(i32 %statepoint_token, i32 %base_offset, i32 %pointer_offset)
286
287 Overview:
288 """""""""
289
290 A ''gc.relocate'' returns the potentially relocated value of a pointer
291 at the safepoint.
292
293 Operands:
294 """""""""
295
296 The first argument is the '''gc.statepoint''' which starts the
297 safepoint sequence of which this '''gc.relocation'' is a part.
298 Despite the typing of this as a generic i32, *only* the value defined
299 by a '''gc.statepoint''' is legal here.
300
301 The second argument is an index into the statepoints list of arguments
302 which specifies the base pointer for the pointer being relocated.
303 This index must land within the 'gc parameter' section of the
304 statepoint's argument list.
305
306 The third argument is an index into the statepoint's list of arguments
307 which specify the (potentially) derived pointer being relocated.  It
308 is legal for this index to be the same as the second argument
309 if-and-only-if a base pointer is being relocated. This index must land
310 within the 'gc parameter' section of the statepoint's argument list.
311
312 Semantics:
313 """"""""""
314
315 The return value of ''gc.relocate'' is the potentially relocated value
316 of the pointer specified by it's arguments.  It is unspecified how the
317 value of the returned pointer relates to the argument to the
318 ''gc.statepoint'' other than that a) it points to the same source
319 language object with the same offset, and b) the 'based-on'
320 relationship of the newly relocated pointers is a projection of the
321 unrelocated pointers.  In particular, the integer value of the pointer
322 returned is unspecified.
323
324 A ''gc.relocate'' is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
325 side effects since it is just a way to extract information about work
326 done during the actual call modeled by the ''gc.statepoint''.
327
328
329 Stack Map Format
330 ================
331
332 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
333 the runtime or collector are provided via the :ref:`Stack Map format
334 <stackmap-format>` specified in the PatchPoint documentation.
335
336 Each statepoint generates the following Locations:
337
338 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
339   operands)
340 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in
341   the IR statepoint (same number as described by previous Constant)
342 * Variable number of Locations pairs, one pair for each unique pointer
343   which needs relocated.  The first Location in each pair describes
344   the base pointer for the object.  The second is the derived pointer
345   actually being relocated.  It is guaranteed that the base pointer
346   must also appear explicitly as a relocation pair if used after the
347   statepoint. There may be fewer pairs then gc parameters in the IR
348   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
349   are possible.
350
351 Note that the Locations used in each section may describe the same
352 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
353 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
354
355 The ID field of the 'StkMapRecord' for a statepoint is meaningless and
356 it's value is explicitly unspecified.
357
358 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
359 record.
360
361 Safepoint Semantics & Verification
362 ==================================
363
364 The fundamental correctness property for the compiled code's
365 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
366 the case that there is no dynamic trace such that a operation
367 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
368 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
369 means that an outside observer could observe this sequence of events
370 in a way which precludes the operation being performed before the
371 safepoint.
372
373 To understand why this 'observable-after' property is required,
374 consider a null comparison performed on the original copy of a
375 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
376 there is no way to observe externally whether the null comparison is
377 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
378 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
379 either scheduling choice.
380
381 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
382 this.  We require that there be no *static path* on which a
383 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
384 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
385 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
386 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
387
388 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
389 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
390 the design.
391
392 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
393 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
394 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
395 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
396 a verifier.  Please ask on llvmdev if you're interested in
397 experimenting with the current version.
398
399 Bugs and Enhancements
400 =====================
401
402 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
403 tracked by performing a `bugzilla search
404 <http://llvm.org/bugs/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
405 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
406 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
407 with most LLVM features, design discussions take place on `llvmdev
408 <http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvmdev>`_, and patches
409 should be sent to `llvm-commits
410 <http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.
411