OSDN Git Service

[llvm-mca][docs] Revert mca internals docs.
[android-x86/external-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 extensions to LLVM to support garbage
13 collection.  By now, these mechanisms are well proven with commercial java 
14 implementation with a fully relocating collector having shipped using them.  
15 There are a couple places where bugs might still linger; these are called out
16 below.
17
18 They are still listed as "experimental" to indicate that no forward or backward
19 compatibility guarantees are offered across versions.  If your use case is such 
20 that you need some form of forward compatibility guarantee, please raise the 
21 issue on the llvm-dev mailing list.  
22
23 LLVM still supports an alternate mechanism for conservative garbage collection 
24 support using the ``gcroot`` intrinsic.  The ``gcroot`` mechanism is mostly of
25 historical interest at this point with one exception - its implementation of
26 shadow stacks has been used successfully by a number of language frontends and
27 is still supported.  
28
29 Overview
30 ========
31
32 To collect dead objects, garbage collectors must be able to identify
33 any references to objects contained within executing code, and,
34 depending on the collector, potentially update them.  The collector
35 does not need this information at all points in code - that would make
36 the problem much harder - but only at well-defined points in the
37 execution known as 'safepoints' For most collectors, it is sufficient
38 to track at least one copy of each unique pointer value.  However, for
39 a collector which wishes to relocate objects directly reachable from
40 running code, a higher standard is required.
41
42 One additional challenge is that the compiler may compute intermediate
43 results ("derived pointers") which point outside of the allocation or
44 even into the middle of another allocation.  The eventual use of this
45 intermediate value must yield an address within the bounds of the
46 allocation, but such "exterior derived pointers" may be visible to the
47 collector.  Given this, a garbage collector can not safely rely on the
48 runtime value of an address to indicate the object it is associated
49 with.  If the garbage collector wishes to move any object, the
50 compiler must provide a mapping, for each pointer, to an indication of
51 its allocation.
52
53 To simplify the interaction between a collector and the compiled code,
54 most garbage collectors are organized in terms of three abstractions:
55 load barriers, store barriers, and safepoints.
56
57 #. A load barrier is a bit of code executed immediately after the
58    machine load instruction, but before any use of the value loaded.
59    Depending on the collector, such a barrier may be needed for all
60    loads, merely loads of a particular type (in the original source
61    language), or none at all.
62
63 #. Analogously, a store barrier is a code fragment that runs
64    immediately before the machine store instruction, but after the
65    computation of the value stored.  The most common use of a store
66    barrier is to update a 'card table' in a generational garbage
67    collector.
68
69 #. A safepoint is a location at which pointers visible to the compiled
70    code (i.e. currently in registers or on the stack) are allowed to
71    change.  After the safepoint completes, the actual pointer value
72    may differ, but the 'object' (as seen by the source language)
73    pointed to will not.
74
75   Note that the term 'safepoint' is somewhat overloaded.  It refers to
76   both the location at which the machine state is parsable and the
77   coordination protocol involved in bring application threads to a
78   point at which the collector can safely use that information.  The
79   term "statepoint" as used in this document refers exclusively to the
80   former.
81
82 This document focuses on the last item - compiler support for
83 safepoints in generated code.  We will assume that an outside
84 mechanism has decided where to place safepoints.  From our
85 perspective, all safepoints will be function calls.  To support
86 relocation of objects directly reachable from values in compiled code,
87 the collector must be able to:
88
89 #. identify every copy of a pointer (including copies introduced by
90    the compiler itself) at the safepoint,
91 #. identify which object each pointer relates to, and
92 #. potentially update each of those copies.
93
94 This document describes the mechanism by which an LLVM based compiler
95 can provide this information to a language runtime/collector, and
96 ensure that all pointers can be read and updated if desired.  
97
98 At a high level, LLVM has been extended to support compiling to an abstract 
99 machine which extends the actual target with a non-integral pointer type 
100 suitable for representing a garbage collected reference to an object.  In 
101 particular, such non-integral pointer type have no defined mapping to an 
102 integer representation.  This semantic quirk allows the runtime to pick a 
103 integer mapping for each point in the program allowing relocations of objects 
104 without visible effects.
105
106 Warning: Non-Integral Pointer Types are a newly added concept in LLVM IR.  
107 It's possible that we've missed disabling some of the optimizations which 
108 assume an integral value for pointers.  If you find such a case, please 
109 file a bug or share a patch.
110
111 Warning: There is one currently known semantic hole in the definition of 
112 non-integral pointers which has not been addressed upstream.  To work around
113 this, you need to disable speculation of loads unless the memory type 
114 (non-integral pointer vs anything else) is known to unchanged.  That is, it is 
115 not safe to speculate a load if doing causes a non-integral pointer value to 
116 be loaded as any other type or vice versa.  In practice, this restriction is 
117 well isolated to isSafeToSpeculate in ValueTracking.cpp.
118
119 This high level abstract machine model is used for most of the LLVM optimizer.
120 Before starting code generation, we switch representations to an explicit form.
121 In theory, a frontend could directly generate this low level explicit form, but 
122 doing so is likely to inhibit optimization.  
123
124 The heart of the explicit approach is to construct (or rewrite) the IR in a 
125 manner where the possible updates performed by the garbage collector are
126 explicitly visible in the IR.  Doing so requires that we:
127
128 #. create a new SSA value for each potentially relocated pointer, and
129    ensure that no uses of the original (non relocated) value is
130    reachable after the safepoint,
131 #. specify the relocation in a way which is opaque to the compiler to
132    ensure that the optimizer can not introduce new uses of an
133    unrelocated value after a statepoint. This prevents the optimizer
134    from performing unsound optimizations.
135 #. recording a mapping of live pointers (and the allocation they're
136    associated with) for each statepoint.
137
138 At the most abstract level, inserting a safepoint can be thought of as
139 replacing a call instruction with a call to a multiple return value
140 function which both calls the original target of the call, returns
141 its result, and returns updated values for any live pointers to
142 garbage collected objects.
143
144   Note that the task of identifying all live pointers to garbage
145   collected values, transforming the IR to expose a pointer giving the
146   base object for every such live pointer, and inserting all the
147   intrinsics correctly is explicitly out of scope for this document.
148   The recommended approach is to use the :ref:`utility passes 
149   <statepoint-utilities>` described below. 
150
151 This abstract function call is concretely represented by a sequence of
152 intrinsic calls known collectively as a "statepoint relocation sequence".
153
154 Let's consider a simple call in LLVM IR:
155
156 .. code-block:: llvm
157
158   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
159          gc "statepoint-example" {
160     call void ()* @foo()
161     ret i8 addrspace(1)* %obj
162   }
163
164 Depending on our language we may need to allow a safepoint during the execution 
165 of ``foo``. If so, we need to let the collector update local values in the 
166 current frame.  If we don't, we'll be accessing a potential invalid reference 
167 once we eventually return from the call.
168
169 In this example, we need to relocate the SSA value ``%obj``.  Since we can't 
170 actually change the value in the SSA value ``%obj``, we need to introduce a new 
171 SSA value ``%obj.relocated`` which represents the potentially changed value of
172 ``%obj`` after the safepoint and update any following uses appropriately.  The 
173 resulting relocation sequence is:
174
175 .. code-block:: llvm
176
177   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
178          gc "statepoint-example" {
179     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
180     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
181     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
182   }
183
184 Ideally, this sequence would have been represented as a M argument, N
185 return value function (where M is the number of values being
186 relocated + the original call arguments and N is the original return
187 value + each relocated value), but LLVM does not easily support such a
188 representation.
189
190 Instead, the statepoint intrinsic marks the actual site of the
191 safepoint or statepoint.  The statepoint returns a token value (which
192 exists only at compile time).  To get back the original return value
193 of the call, we use the ``gc.result`` intrinsic.  To get the relocation
194 of each pointer in turn, we use the ``gc.relocate`` intrinsic with the
195 appropriate index.  Note that both the ``gc.relocate`` and ``gc.result`` are
196 tied to the statepoint.  The combination forms a "statepoint relocation 
197 sequence" and represents the entirety of a parseable call or 'statepoint'.
198
199 When lowered, this example would generate the following x86 assembly:
200
201 .. code-block:: gas
202   
203           .globl        test1
204           .align        16, 0x90
205           pushq %rax
206           callq foo
207   .Ltmp1:
208           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
209           popq  %rdx
210           retq
211
212 Each of the potentially relocated values has been spilled to the
213 stack, and a record of that location has been recorded to the
214 :ref:`Stack Map section <stackmap-section>`.  If the garbage collector
215 needs to update any of these pointers during the call, it knows
216 exactly what to change.
217
218 The relevant parts of the StackMap section for our example are:
219
220 .. code-block:: gas
221   
222   # This describes the call site
223   # Stack Maps: callsite 2882400000
224           .quad 2882400000
225           .long .Ltmp1-test1
226           .short        0
227   # .. 8 entries skipped ..
228   # This entry describes the spill slot which is directly addressable
229   # off RSP with offset 0.  Given the value was spilled with a pushq, 
230   # that makes sense.
231   # Stack Maps:   Loc 8: Direct RSP     [encoding: .byte 2, .byte 8, .short 7, .int 0]
232           .byte 2
233           .byte 8
234           .short        7
235           .long 0
236
237 This example was taken from the tests for the :ref:`RewriteStatepointsForGC`
238 utility pass.  As such, its full StackMap can be easily examined with the
239 following command.
240
241 .. code-block:: bash
242
243   opt -rewrite-statepoints-for-gc test/Transforms/RewriteStatepointsForGC/basics.ll -S | llc -debug-only=stackmaps
244
245 Base & Derived Pointers
246 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
247
248 A "base pointer" is one which points to the starting address of an allocation
249 (object).  A "derived pointer" is one which is offset from a base pointer by
250 some amount.  When relocating objects, a garbage collector needs to be able 
251 to relocate each derived pointer associated with an allocation to the same 
252 offset from the new address.
253
254 "Interior derived pointers" remain within the bounds of the allocation 
255 they're associated with.  As a result, the base object can be found at 
256 runtime provided the bounds of allocations are known to the runtime system.
257
258 "Exterior derived pointers" are outside the bounds of the associated object;
259 they may even fall within *another* allocations address range.  As a result,
260 there is no way for a garbage collector to determine which allocation they 
261 are associated with at runtime and compiler support is needed.
262
263 The ``gc.relocate`` intrinsic supports an explicit operand for describing the
264 allocation associated with a derived pointer.  This operand is frequently 
265 referred to as the base operand, but does not strictly speaking have to be
266 a base pointer, but it does need to lie within the bounds of the associated
267 allocation.  Some collectors may require that the operand be an actual base
268 pointer rather than merely an internal derived pointer. Note that during 
269 lowering both the base and derived pointer operands are required to be live 
270 over the associated call safepoint even if the base is otherwise unused 
271 afterwards.
272
273 If we extend our previous example to include a pointless derived pointer, 
274 we get:
275
276 .. code-block:: llvm
277
278   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
279          gc "statepoint-example" {
280     %gep = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %obj, i64 20000
281     %token = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj, i8 addrspace(1)* %gep)
282     %obj.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 7)
283     %gep.relocated = call i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %token, i32 7, i32 8)
284     %p = getelementptr i8, i8 addrspace(1)* %gep, i64 -20000
285     ret i8 addrspace(1)* %p
286   }
287
288 Note that in this example %p and %obj.relocate are the same address and we
289 could replace one with the other, potentially removing the derived pointer
290 from the live set at the safepoint entirely.
291
292 .. _gc_transition_args:
293
294 GC Transitions
295 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
296
297 As a practical consideration, many garbage-collected systems allow code that is
298 collector-aware ("managed code") to call code that is not collector-aware
299 ("unmanaged code"). It is common that such calls must also be safepoints, since
300 it is desirable to allow the collector to run during the execution of
301 unmanaged code. Furthermore, it is common that coordinating the transition from
302 managed to unmanaged code requires extra code generation at the call site to
303 inform the collector of the transition. In order to support these needs, a
304 statepoint may be marked as a GC transition, and data that is necessary to
305 perform the transition (if any) may be provided as additional arguments to the
306 statepoint.
307
308   Note that although in many cases statepoints may be inferred to be GC
309   transitions based on the function symbols involved (e.g. a call from a
310   function with GC strategy "foo" to a function with GC strategy "bar"),
311   indirect calls that are also GC transitions must also be supported. This
312   requirement is the driving force behind the decision to require that GC
313   transitions are explicitly marked.
314
315 Let's revisit the sample given above, this time treating the call to ``@foo``
316 as a GC transition. Depending on our target, the transition code may need to
317 access some extra state in order to inform the collector of the transition.
318 Let's assume a hypothetical GC--somewhat unimaginatively named "hypothetical-gc"
319 --that requires that a TLS variable must be written to before and after a call
320 to unmanaged code. The resulting relocation sequence is:
321
322 .. code-block:: llvm
323
324   @flag = thread_local global i32 0, align 4
325
326   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1) *%obj)
327          gc "hypothetical-gc" {
328
329     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 0, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 1, i32* @Flag, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
330     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 7, i32 7)
331     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
332   }
333
334 During lowering, this will result in a instruction selection DAG that looks
335 something like:
336
337 ::
338
339   CALLSEQ_START
340   ...
341   GC_TRANSITION_START (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32* Flag
342   STATEPOINT
343   GC_TRANSITION_END (lowered i32 *@Flag), SRCVALUE i32 *Flag
344   ...
345   CALLSEQ_END
346
347 In order to generate the necessary transition code, the backend for each target
348 supported by "hypothetical-gc" must be modified to lower ``GC_TRANSITION_START``
349 and ``GC_TRANSITION_END`` nodes appropriately when the "hypothetical-gc"
350 strategy is in use for a particular function. Assuming that such lowering has
351 been added for X86, the generated assembly would be:
352
353 .. code-block:: gas
354
355           .globl        test1
356           .align        16, 0x90
357           pushq %rax
358           movl $1, %fs:Flag@TPOFF
359           callq foo
360           movl $0, %fs:Flag@TPOFF
361   .Ltmp1:
362           movq  (%rsp), %rax  # This load is redundant (oops!)
363           popq  %rdx
364           retq
365
366 Note that the design as presented above is not fully implemented: in particular,
367 strategy-specific lowering is not present, and all GC transitions are emitted as
368 as single no-op before and after the call instruction. These no-ops are often
369 removed by the backend during dead machine instruction elimination.
370
371
372 Intrinsics
373 ===========
374
375 'llvm.experimental.gc.statepoint' Intrinsic
376 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
377
378 Syntax:
379 """""""
380
381 ::
382
383       declare token
384         @llvm.experimental.gc.statepoint(i64 <id>, i32 <num patch bytes>,
385                        func_type <target>, 
386                        i64 <#call args>, i64 <flags>,
387                        ... (call parameters),
388                        i64 <# transition args>, ... (transition parameters),
389                        i64 <# deopt args>, ... (deopt parameters),
390                        ... (gc parameters))
391
392 Overview:
393 """""""""
394
395 The statepoint intrinsic represents a call which is parse-able by the
396 runtime.
397
398 Operands:
399 """""""""
400
401 The 'id' operand is a constant integer that is reported as the ID
402 field in the generated stackmap.  LLVM does not interpret this
403 parameter in any way and its meaning is up to the statepoint user to
404 decide.  Note that LLVM is free to duplicate code containing
405 statepoint calls, and this may transform IR that had a unique 'id' per
406 lexical call to statepoint to IR that does not.
407
408 If 'num patch bytes' is non-zero then the call instruction
409 corresponding to the statepoint is not emitted and LLVM emits 'num
410 patch bytes' bytes of nops in its place.  LLVM will emit code to
411 prepare the function arguments and retrieve the function return value
412 in accordance to the calling convention; the former before the nop
413 sequence and the latter after the nop sequence.  It is expected that
414 the user will patch over the 'num patch bytes' bytes of nops with a
415 calling sequence specific to their runtime before executing the
416 generated machine code.  There are no guarantees with respect to the
417 alignment of the nop sequence.  Unlike :doc:`StackMaps` statepoints do
418 not have a concept of shadow bytes.  Note that semantically the
419 statepoint still represents a call or invoke to 'target', and the nop
420 sequence after patching is expected to represent an operation
421 equivalent to a call or invoke to 'target'.
422
423 The 'target' operand is the function actually being called.  The
424 target can be specified as either a symbolic LLVM function, or as an
425 arbitrary Value of appropriate function type.  Note that the function
426 type must match the signature of the callee and the types of the 'call
427 parameters' arguments.
428
429 The '#call args' operand is the number of arguments to the actual
430 call.  It must exactly match the number of arguments passed in the
431 'call parameters' variable length section.
432
433 The 'flags' operand is used to specify extra information about the
434 statepoint. This is currently only used to mark certain statepoints
435 as GC transitions. This operand is a 64-bit integer with the following
436 layout, where bit 0 is the least significant bit:
437
438   +-------+---------------------------------------------------+
439   | Bit # | Usage                                             |
440   +=======+===================================================+
441   |     0 | Set if the statepoint is a GC transition, cleared |
442   |       | otherwise.                                        |
443   +-------+---------------------------------------------------+
444   |  1-63 | Reserved for future use; must be cleared.         |
445   +-------+---------------------------------------------------+
446
447 The 'call parameters' arguments are simply the arguments which need to
448 be passed to the call target.  They will be lowered according to the
449 specified calling convention and otherwise handled like a normal call
450 instruction.  The number of arguments must exactly match what is
451 specified in '# call args'.  The types must match the signature of
452 'target'.
453
454 The 'transition parameters' arguments contain an arbitrary list of
455 Values which need to be passed to GC transition code. They will be
456 lowered and passed as operands to the appropriate GC_TRANSITION nodes
457 in the selection DAG. It is assumed that these arguments must be
458 available before and after (but not necessarily during) the execution
459 of the callee. The '# transition args' field indicates how many operands
460 are to be interpreted as 'transition parameters'.
461
462 The 'deopt parameters' arguments contain an arbitrary list of Values
463 which is meaningful to the runtime.  The runtime may read any of these
464 values, but is assumed not to modify them.  If the garbage collector
465 might need to modify one of these values, it must also be listed in
466 the 'gc pointer' argument list.  The '# deopt args' field indicates
467 how many operands are to be interpreted as 'deopt parameters'.
468
469 The 'gc parameters' arguments contain every pointer to a garbage
470 collector object which potentially needs to be updated by the garbage
471 collector.  Note that the argument list must explicitly contain a base
472 pointer for every derived pointer listed.  The order of arguments is
473 unimportant.  Unlike the other variable length parameter sets, this
474 list is not length prefixed.
475
476 Semantics:
477 """"""""""
478
479 A statepoint is assumed to read and write all memory.  As a result,
480 memory operations can not be reordered past a statepoint.  It is
481 illegal to mark a statepoint as being either 'readonly' or 'readnone'.
482
483 Note that legal IR can not perform any memory operation on a 'gc
484 pointer' argument of the statepoint in a location statically reachable
485 from the statepoint.  Instead, the explicitly relocated value (from a
486 ``gc.relocate``) must be used.
487
488 'llvm.experimental.gc.result' Intrinsic
489 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
490
491 Syntax:
492 """""""
493
494 ::
495
496       declare type*
497         @llvm.experimental.gc.result(token %statepoint_token)
498
499 Overview:
500 """""""""
501
502 ``gc.result`` extracts the result of the original call instruction
503 which was replaced by the ``gc.statepoint``.  The ``gc.result``
504 intrinsic is actually a family of three intrinsics due to an
505 implementation limitation.  Other than the type of the return value,
506 the semantics are the same.
507
508 Operands:
509 """""""""
510
511 The first and only argument is the ``gc.statepoint`` which starts
512 the safepoint sequence of which this ``gc.result`` is a part.
513 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
514 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
515
516 Semantics:
517 """"""""""
518
519 The ``gc.result`` represents the return value of the call target of
520 the ``statepoint``.  The type of the ``gc.result`` must exactly match
521 the type of the target.  If the call target returns void, there will
522 be no ``gc.result``.
523
524 A ``gc.result`` is modeled as a 'readnone' pure function.  It has no
525 side effects since it is just a projection of the return value of the
526 previous call represented by the ``gc.statepoint``.
527
528 'llvm.experimental.gc.relocate' Intrinsic
529 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
530
531 Syntax:
532 """""""
533
534 ::
535
536       declare <pointer type>
537         @llvm.experimental.gc.relocate(token %statepoint_token, 
538                                        i32 %base_offset, 
539                                        i32 %pointer_offset)
540
541 Overview:
542 """""""""
543
544 A ``gc.relocate`` returns the potentially relocated value of a pointer
545 at the safepoint.
546
547 Operands:
548 """""""""
549
550 The first argument is the ``gc.statepoint`` which starts the
551 safepoint sequence of which this ``gc.relocation`` is a part.
552 Despite the typing of this as a generic token, *only* the value defined 
553 by a ``gc.statepoint`` is legal here.
554
555 The second argument is an index into the statepoints list of arguments
556 which specifies the allocation for the pointer being relocated.
557 This index must land within the 'gc parameter' section of the
558 statepoint's argument list.  The associated value must be within the
559 object with which the pointer being relocated is associated. The optimizer
560 is free to change *which* interior derived pointer is reported, provided that
561 it does not replace an actual base pointer with another interior derived 
562 pointer.  Collectors are allowed to rely on the base pointer operand 
563 remaining an actual base pointer if so constructed.
564
565 The third argument is an index into the statepoint's list of arguments
566 which specify the (potentially) derived pointer being relocated.  It
567 is legal for this index to be the same as the second argument
568 if-and-only-if a base pointer is being relocated. This index must land
569 within the 'gc parameter' section of the statepoint's argument list.
570
571 Semantics:
572 """"""""""
573
574 The return value of ``gc.relocate`` is the potentially relocated value
575 of the pointer specified by its arguments.  It is unspecified how the
576 value of the returned pointer relates to the argument to the
577 ``gc.statepoint`` other than that a) it points to the same source
578 language object with the same offset, and b) the 'based-on'
579 relationship of the newly relocated pointers is a projection of the
580 unrelocated pointers.  In particular, the integer value of the pointer
581 returned is unspecified.
582
583 A ``gc.relocate`` is modeled as a ``readnone`` pure function.  It has no
584 side effects since it is just a way to extract information about work
585 done during the actual call modeled by the ``gc.statepoint``.
586
587 .. _statepoint-stackmap-format:
588
589 Stack Map Format
590 ================
591
592 Locations for each pointer value which may need read and/or updated by
593 the runtime or collector are provided via the :ref:`Stack Map format
594 <stackmap-format>` specified in the PatchPoint documentation.
595
596 Each statepoint generates the following Locations:
597
598 * Constant which describes the calling convention of the call target. This
599   constant is a valid :ref:`calling convention identifier <callingconv>` for
600   the version of LLVM used to generate the stackmap. No additional compatibility
601   guarantees are made for this constant over what LLVM provides elsewhere w.r.t.
602   these identifiers.
603 * Constant which describes the flags passed to the statepoint intrinsic
604 * Constant which describes number of following deopt *Locations* (not
605   operands)
606 * Variable number of Locations, one for each deopt parameter listed in
607   the IR statepoint (same number as described by previous Constant).  At 
608   the moment, only deopt parameters with a bitwidth of 64 bits or less 
609   are supported.  Values of a type larger than 64 bits can be specified 
610   and reported only if a) the value is constant at the call site, and b) 
611   the constant can be represented with less than 64 bits (assuming zero 
612   extension to the original bitwidth).
613 * Variable number of relocation records, each of which consists of 
614   exactly two Locations.  Relocation records are described in detail
615   below.
616
617 Each relocation record provides sufficient information for a collector to 
618 relocate one or more derived pointers.  Each record consists of a pair of 
619 Locations.  The second element in the record represents the pointer (or 
620 pointers) which need updated.  The first element in the record provides a 
621 pointer to the base of the object with which the pointer(s) being relocated is
622 associated.  This information is required for handling generalized derived 
623 pointers since a pointer may be outside the bounds of the original allocation,
624 but still needs to be relocated with the allocation.  Additionally:
625
626 * It is guaranteed that the base pointer must also appear explicitly as a 
627   relocation pair if used after the statepoint. 
628 * There may be fewer relocation records then gc parameters in the IR
629   statepoint. Each *unique* pair will occur at least once; duplicates
630   are possible.  
631 * The Locations within each record may either be of pointer size or a 
632   multiple of pointer size.  In the later case, the record must be 
633   interpreted as describing a sequence of pointers and their corresponding 
634   base pointers. If the Location is of size N x sizeof(pointer), then
635   there will be N records of one pointer each contained within the Location.
636   Both Locations in a pair can be assumed to be of the same size.
637
638 Note that the Locations used in each section may describe the same
639 physical location.  e.g. A stack slot may appear as a deopt location,
640 a gc base pointer, and a gc derived pointer.
641
642 The LiveOut section of the StkMapRecord will be empty for a statepoint
643 record.
644
645 Safepoint Semantics & Verification
646 ==================================
647
648 The fundamental correctness property for the compiled code's
649 correctness w.r.t. the garbage collector is a dynamic one.  It must be
650 the case that there is no dynamic trace such that a operation
651 involving a potentially relocated pointer is observably-after a
652 safepoint which could relocate it.  'observably-after' is this usage
653 means that an outside observer could observe this sequence of events
654 in a way which precludes the operation being performed before the
655 safepoint.
656
657 To understand why this 'observable-after' property is required,
658 consider a null comparison performed on the original copy of a
659 relocated pointer.  Assuming that control flow follows the safepoint,
660 there is no way to observe externally whether the null comparison is
661 performed before or after the safepoint.  (Remember, the original
662 Value is unmodified by the safepoint.)  The compiler is free to make
663 either scheduling choice.
664
665 The actual correctness property implemented is slightly stronger than
666 this.  We require that there be no *static path* on which a
667 potentially relocated pointer is 'observably-after' it may have been
668 relocated.  This is slightly stronger than is strictly necessary (and
669 thus may disallow some otherwise valid programs), but greatly
670 simplifies reasoning about correctness of the compiled code.
671
672 By construction, this property will be upheld by the optimizer if
673 correctly established in the source IR.  This is a key invariant of
674 the design.
675
676 The existing IR Verifier pass has been extended to check most of the
677 local restrictions on the intrinsics mentioned in their respective
678 documentation.  The current implementation in LLVM does not check the
679 key relocation invariant, but this is ongoing work on developing such
680 a verifier.  Please ask on llvm-dev if you're interested in
681 experimenting with the current version.
682
683 .. _statepoint-utilities:
684
685 Utility Passes for Safepoint Insertion
686 ======================================
687
688 .. _RewriteStatepointsForGC:
689
690 RewriteStatepointsForGC
691 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
692
693 The pass RewriteStatepointsForGC transforms a function's IR to lower from the
694 abstract machine model described above to the explicit statepoint model of 
695 relocations.  To do this, it replaces all calls or invokes of functions which
696 might contain a safepoint poll with a ``gc.statepoint`` and associated full
697 relocation sequence, including all required ``gc.relocates``.  
698
699 Note that by default, this pass only runs for the "statepoint-example" or 
700 "core-clr" gc strategies.  You will need to add your custom strategy to this 
701 whitelist or use one of the predefined ones. 
702
703 As an example, given this code:
704
705 .. code-block:: llvm
706
707   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
708          gc "statepoint-example" {
709     call void @foo()
710     ret i8 addrspace(1)* %obj
711   }
712
713 The pass would produce this IR:
714
715 .. code-block:: llvm
716
717   define i8 addrspace(1)* @test1(i8 addrspace(1)* %obj) 
718          gc "statepoint-example" {
719     %0 = call token (i64, i32, void ()*, i32, i32, ...)* @llvm.experimental.gc.statepoint.p0f_isVoidf(i64 2882400000, i32 0, void ()* @foo, i32 0, i32 0, i32 0, i32 5, i32 0, i32 -1, i32 0, i32 0, i32 0, i8 addrspace(1)* %obj)
720     %obj.relocated = call coldcc i8 addrspace(1)* @llvm.experimental.gc.relocate.p1i8(token %0, i32 12, i32 12)
721     ret i8 addrspace(1)* %obj.relocated
722   }
723
724 In the above examples, the addrspace(1) marker on the pointers is the mechanism
725 that the ``statepoint-example`` GC strategy uses to distinguish references from
726 non references.  The pass assumes that all addrspace(1) pointers are non-integral
727 pointer types.  Address space 1 is not globally reserved for this purpose.
728
729 This pass can be used an utility function by a language frontend that doesn't 
730 want to manually reason about liveness, base pointers, or relocation when 
731 constructing IR.  As currently implemented, RewriteStatepointsForGC must be 
732 run after SSA construction (i.e. mem2ref).
733
734 RewriteStatepointsForGC will ensure that appropriate base pointers are listed
735 for every relocation created.  It will do so by duplicating code as needed to
736 propagate the base pointer associated with each pointer being relocated to
737 the appropriate safepoints.  The implementation assumes that the following 
738 IR constructs produce base pointers: loads from the heap, addresses of global 
739 variables, function arguments, function return values. Constant pointers (such
740 as null) are also assumed to be base pointers.  In practice, this constraint
741 can be relaxed to producing interior derived pointers provided the target 
742 collector can find the associated allocation from an arbitrary interior 
743 derived pointer.
744
745 By default RewriteStatepointsForGC passes in ``0xABCDEF00`` as the statepoint
746 ID and ``0`` as the number of patchable bytes to the newly constructed
747 ``gc.statepoint``.  These values can be configured on a per-callsite
748 basis using the attributes ``"statepoint-id"`` and
749 ``"statepoint-num-patch-bytes"``.  If a call site is marked with a
750 ``"statepoint-id"`` function attribute and its value is a positive
751 integer (represented as a string), then that value is used as the ID
752 of the newly constructed ``gc.statepoint``.  If a call site is marked
753 with a ``"statepoint-num-patch-bytes"`` function attribute and its
754 value is a positive integer, then that value is used as the 'num patch
755 bytes' parameter of the newly constructed ``gc.statepoint``.  The
756 ``"statepoint-id"`` and ``"statepoint-num-patch-bytes"`` attributes
757 are not propagated to the ``gc.statepoint`` call or invoke if they
758 could be successfully parsed.
759
760 In practice, RewriteStatepointsForGC should be run much later in the pass 
761 pipeline, after most optimization is already done.  This helps to improve 
762 the quality of the generated code when compiled with garbage collection support.
763
764 .. _PlaceSafepoints:
765
766 PlaceSafepoints
767 ^^^^^^^^^^^^^^^^
768
769 The pass PlaceSafepoints inserts safepoint polls sufficient to ensure running 
770 code checks for a safepoint request on a timely manner. This pass is expected 
771 to be run before RewriteStatepointsForGC and thus does not produce full 
772 relocation sequences.  
773
774 As an example, given input IR of the following:
775
776 .. code-block:: llvm
777
778   define void @test() gc "statepoint-example" {
779     call void @foo()
780     ret void
781   }
782
783   declare void @do_safepoint()
784   define void @gc.safepoint_poll() {
785     call void @do_safepoint()
786     ret void
787   }
788
789
790 This pass would produce the following IR:
791
792 .. code-block:: llvm
793
794   define void @test() gc "statepoint-example" {
795     call void @do_safepoint()
796     call void @foo()
797     ret void
798   }
799
800 In this case, we've added an (unconditional) entry safepoint poll.  Note that 
801 despite appearances, the entry poll is not necessarily redundant.  We'd have to 
802 know that ``foo`` and ``test`` were not mutually recursive for the poll to be 
803 redundant.  In practice, you'd probably want to your poll definition to contain 
804 a conditional branch of some form.
805
806 At the moment, PlaceSafepoints can insert safepoint polls at method entry and 
807 loop backedges locations.  Extending this to work with return polls would be 
808 straight forward if desired.
809
810 PlaceSafepoints includes a number of optimizations to avoid placing safepoint 
811 polls at particular sites unless needed to ensure timely execution of a poll 
812 under normal conditions.  PlaceSafepoints does not attempt to ensure timely 
813 execution of a poll under worst case conditions such as heavy system paging.
814
815 The implementation of a safepoint poll action is specified by looking up a 
816 function of the name ``gc.safepoint_poll`` in the containing Module.  The body
817 of this function is inserted at each poll site desired.  While calls or invokes
818 inside this method are transformed to a ``gc.statepoints``, recursive poll 
819 insertion is not performed.
820
821 This pass is useful for any language frontend which only has to support
822 garbage collection semantics at safepoints.  If you need other abstract
823 frame information at safepoints (e.g. for deoptimization or introspection),
824 you can insert safepoint polls in the frontend.  If you have the later case,
825 please ask on llvm-dev for suggestions.  There's been a good amount of work
826 done on making such a scheme work well in practice which is not yet documented
827 here.  
828
829
830 Supported Architectures
831 =======================
832
833 Support for statepoint generation requires some code for each backend.
834 Today, only X86_64 is supported.  
835
836 Problem Areas and Active Work
837 =============================
838
839 #. Support for languages which allow unmanaged pointers to garbage collected
840    objects (i.e. pass a pointer to an object to a C routine) via pinning.
841
842 #. Support for garbage collected objects allocated on the stack.  Specifically,
843    allocas are always assumed to be in address space 0 and we need a
844    cast/promotion operator to let rewriting identify them.
845
846 #. The current statepoint lowering is known to be somewhat poor.  In the very
847    long term, we'd like to integrate statepoints with the register allocator;
848    in the near term this is unlikely to happen.  We've found the quality of
849    lowering to be relatively unimportant as hot-statepoints are almost always
850    inliner bugs.
851
852 #. Concerns have been raised that the statepoint representation results in a
853    large amount of IR being produced for some examples and that this
854    contributes to higher than expected memory usage and compile times.  There's
855    no immediate plans to make changes due to this, but alternate models may be
856    explored in the future.
857
858 #. Relocations along exceptional paths are currently broken in ToT.  In
859    particular, there is current no way to represent a rethrow on a path which
860    also has relocations.  See `this llvm-dev discussion
861    <https://groups.google.com/forum/#!topic/llvm-dev/AE417XjgxvI>`_ for more
862    detail.
863
864 Bugs and Enhancements
865 =====================
866
867 Currently known bugs and enhancements under consideration can be
868 tracked by performing a `bugzilla search
869 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?cmdtype=runnamed&namedcmd=Statepoint%20Bugs&list_id=64342>`_
870 for [Statepoint] in the summary field. When filing new bugs, please
871 use this tag so that interested parties see the newly filed bug.  As
872 with most LLVM features, design discussions take place on `llvm-dev
873 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-dev>`_, and patches
874 should be sent to `llvm-commits
875 <http://lists.llvm.org/mailman/listinfo/llvm-commits>`_ for review.
876