Clang Project

clang_source_code/docs/InternalsManual.rst
1============================
2"Clang" CFE Internals Manual
3============================
4
5.. contents::
6   :local:
7
8Introduction
9============
10
11This document describes some of the more important APIs and internal design
12decisions made in the Clang C front-end.  The purpose of this document is to
13both capture some of this high level information and also describe some of the
14design decisions behind it.  This is meant for people interested in hacking on
15Clang, not for end-users.  The description below is categorized by libraries,
16and does not describe any of the clients of the libraries.
17
18LLVM Support Library
19====================
20
21The LLVM ``libSupport`` library provides many underlying libraries and
22`data-structures <https://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html>`_, including
23command line option processing, various containers and a system abstraction
24layer, which is used for file system access.
25
26The Clang "Basic" Library
27=========================
28
29This library certainly needs a better name.  The "basic" library contains a
30number of low-level utilities for tracking and manipulating source buffers,
31locations within the source buffers, diagnostics, tokens, target abstraction,
32and information about the subset of the language being compiled for.
33
34Part of this infrastructure is specific to C (such as the ``TargetInfo``
35class), other parts could be reused for other non-C-based languages
36(``SourceLocation``, ``SourceManager``, ``Diagnostics``, ``FileManager``).
37When and if there is future demand we can figure out if it makes sense to
38introduce a new library, move the general classes somewhere else, or introduce
39some other solution.
40
41We describe the roles of these classes in order of their dependencies.
42
43The Diagnostics Subsystem
44-------------------------
45
46The Clang Diagnostics subsystem is an important part of how the compiler
47communicates with the human.  Diagnostics are the warnings and errors produced
48when the code is incorrect or dubious.  In Clang, each diagnostic produced has
49(at the minimum) a unique ID, an English translation associated with it, a
50:ref:`SourceLocation <SourceLocation>` to "put the caret", and a severity
51(e.g., ``WARNING`` or ``ERROR``).  They can also optionally include a number of
52arguments to the diagnostic (which fill in "%0"'s in the string) as well as a
53number of source ranges that related to the diagnostic.
54
55In this section, we'll be giving examples produced by the Clang command line
56driver, but diagnostics can be :ref:`rendered in many different ways
57<DiagnosticConsumer>` depending on how the ``DiagnosticConsumer`` interface is
58implemented.  A representative example of a diagnostic is:
59
60.. code-block:: text
61
62  t.c:38:15: error: invalid operands to binary expression ('int *' and '_Complex float')
63  P = (P-42) + Gamma*4;
64      ~~~~~~ ^ ~~~~~~~
65
66In this example, you can see the English translation, the severity (error), you
67can see the source location (the caret ("``^``") and file/line/column info),
68the source ranges "``~~~~``", arguments to the diagnostic ("``int*``" and
69"``_Complex float``").  You'll have to believe me that there is a unique ID
70backing the diagnostic :).
71
72Getting all of this to happen has several steps and involves many moving
73pieces, this section describes them and talks about best practices when adding
74a new diagnostic.
75
76The ``Diagnostic*Kinds.td`` files
77^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
78
79Diagnostics are created by adding an entry to one of the
80``clang/Basic/Diagnostic*Kinds.td`` files, depending on what library will be
81using it.  From this file, :program:`tblgen` generates the unique ID of the
82diagnostic, the severity of the diagnostic and the English translation + format
83string.
84
85There is little sanity with the naming of the unique ID's right now.  Some
86start with ``err_``, ``warn_``, ``ext_`` to encode the severity into the name.
87Since the enum is referenced in the C++ code that produces the diagnostic, it
88is somewhat useful for it to be reasonably short.
89
90The severity of the diagnostic comes from the set {``NOTE``, ``REMARK``,
91``WARNING``,
92``EXTENSION``, ``EXTWARN``, ``ERROR``}.  The ``ERROR`` severity is used for
93diagnostics indicating the program is never acceptable under any circumstances.
94When an error is emitted, the AST for the input code may not be fully built.
95The ``EXTENSION`` and ``EXTWARN`` severities are used for extensions to the
96language that Clang accepts.  This means that Clang fully understands and can
97represent them in the AST, but we produce diagnostics to tell the user their
98code is non-portable.  The difference is that the former are ignored by
99default, and the later warn by default.  The ``WARNING`` severity is used for
100constructs that are valid in the currently selected source language but that
101are dubious in some way.  The ``REMARK`` severity provides generic information
102about the compilation that is not necessarily related to any dubious code.  The
103``NOTE`` level is used to staple more information onto previous diagnostics.
104
105These *severities* are mapped into a smaller set (the ``Diagnostic::Level``
106enum, {``Ignored``, ``Note``, ``Remark``, ``Warning``, ``Error``, ``Fatal``}) of
107output
108*levels* by the diagnostics subsystem based on various configuration options.
109Clang internally supports a fully fine grained mapping mechanism that allows
110you to map almost any diagnostic to the output level that you want.  The only
111diagnostics that cannot be mapped are ``NOTE``\ s, which always follow the
112severity of the previously emitted diagnostic and ``ERROR``\ s, which can only
113be mapped to ``Fatal`` (it is not possible to turn an error into a warning, for
114example).
115
116Diagnostic mappings are used in many ways.  For example, if the user specifies
117``-pedantic``, ``EXTENSION`` maps to ``Warning``, if they specify
118``-pedantic-errors``, it turns into ``Error``.  This is used to implement
119options like ``-Wunused_macros``, ``-Wundef`` etc.
120
121Mapping to ``Fatal`` should only be used for diagnostics that are considered so
122severe that error recovery won't be able to recover sensibly from them (thus
123spewing a ton of bogus errors).  One example of this class of error are failure
124to ``#include`` a file.
125
126The Format String
127^^^^^^^^^^^^^^^^^
128
129The format string for the diagnostic is very simple, but it has some power.  It
130takes the form of a string in English with markers that indicate where and how
131arguments to the diagnostic are inserted and formatted.  For example, here are
132some simple format strings:
133
134.. code-block:: c++
135
136  "binary integer literals are an extension"
137  "format string contains '\\0' within the string body"
138  "more '%%' conversions than data arguments"
139  "invalid operands to binary expression (%0 and %1)"
140  "overloaded '%0' must be a %select{unary|binary|unary or binary}2 operator"
141       " (has %1 parameter%s1)"
142
143These examples show some important points of format strings.  You can use any
144plain ASCII character in the diagnostic string except "``%``" without a
145problem, but these are C strings, so you have to use and be aware of all the C
146escape sequences (as in the second example).  If you want to produce a "``%``"
147in the output, use the "``%%``" escape sequence, like the third diagnostic.
148Finally, Clang uses the "``%...[digit]``" sequences to specify where and how
149arguments to the diagnostic are formatted.
150
151Arguments to the diagnostic are numbered according to how they are specified by
152the C++ code that :ref:`produces them <internals-producing-diag>`, and are
153referenced by ``%0`` .. ``%9``.  If you have more than 10 arguments to your
154diagnostic, you are doing something wrong :).  Unlike ``printf``, there is no
155requirement that arguments to the diagnostic end up in the output in the same
156order as they are specified, you could have a format string with "``%1 %0``"
157that swaps them, for example.  The text in between the percent and digit are
158formatting instructions.  If there are no instructions, the argument is just
159turned into a string and substituted in.
160
161Here are some "best practices" for writing the English format string:
162
163* Keep the string short.  It should ideally fit in the 80 column limit of the
164  ``DiagnosticKinds.td`` file.  This avoids the diagnostic wrapping when
165  printed, and forces you to think about the important point you are conveying
166  with the diagnostic.
167* Take advantage of location information.  The user will be able to see the
168  line and location of the caret, so you don't need to tell them that the
169  problem is with the 4th argument to the function: just point to it.
170* Do not capitalize the diagnostic string, and do not end it with a period.
171* If you need to quote something in the diagnostic string, use single quotes.
172
173Diagnostics should never take random English strings as arguments: you
174shouldn't use "``you have a problem with %0``" and pass in things like "``your
175argument``" or "``your return value``" as arguments.  Doing this prevents
176:ref:`translating <internals-diag-translation>` the Clang diagnostics to other
177languages (because they'll get random English words in their otherwise
178localized diagnostic).  The exceptions to this are C/C++ language keywords
179(e.g., ``auto``, ``const``, ``mutable``, etc) and C/C++ operators (``/=``).
180Note that things like "pointer" and "reference" are not keywords.  On the other
181hand, you *can* include anything that comes from the user's source code,
182including variable names, types, labels, etc.  The "``select``" format can be
183used to achieve this sort of thing in a localizable way, see below.
184
185Formatting a Diagnostic Argument
186^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
187
188Arguments to diagnostics are fully typed internally, and come from a couple
189different classes: integers, types, names, and random strings.  Depending on
190the class of the argument, it can be optionally formatted in different ways.
191This gives the ``DiagnosticConsumer`` information about what the argument means
192without requiring it to use a specific presentation (consider this MVC for
193Clang :).
194
195Here are the different diagnostic argument formats currently supported by
196Clang:
197
198**"s" format**
199
200Example:
201  ``"requires %1 parameter%s1"``
202Class:
203  Integers
204Description:
205  This is a simple formatter for integers that is useful when producing English
206  diagnostics.  When the integer is 1, it prints as nothing.  When the integer
207  is not 1, it prints as "``s``".  This allows some simple grammatical forms to
208  be to be handled correctly, and eliminates the need to use gross things like
209  ``"requires %1 parameter(s)"``.
210
211**"select" format**
212
213Example:
214  ``"must be a %select{unary|binary|unary or binary}2 operator"``
215Class:
216  Integers
217Description:
218  This format specifier is used to merge multiple related diagnostics together
219  into one common one, without requiring the difference to be specified as an
220  English string argument.  Instead of specifying the string, the diagnostic
221  gets an integer argument and the format string selects the numbered option.
222  In this case, the "``%2``" value must be an integer in the range [0..2].  If
223  it is 0, it prints "unary", if it is 1 it prints "binary" if it is 2, it
224  prints "unary or binary".  This allows other language translations to
225  substitute reasonable words (or entire phrases) based on the semantics of the
226  diagnostic instead of having to do things textually.  The selected string
227  does undergo formatting.
228
229**"plural" format**
230
231Example:
232  ``"you have %1 %plural{1:mouse|:mice}1 connected to your computer"``
233Class:
234  Integers
235Description:
236  This is a formatter for complex plural forms.  It is designed to handle even
237  the requirements of languages with very complex plural forms, as many Baltic
238  languages have.  The argument consists of a series of expression/form pairs,
239  separated by ":", where the first form whose expression evaluates to true is
240  the result of the modifier.
241
242  An expression can be empty, in which case it is always true.  See the example
243  at the top.  Otherwise, it is a series of one or more numeric conditions,
244  separated by ",".  If any condition matches, the expression matches.  Each
245  numeric condition can take one of three forms.
246
247  * number: A simple decimal number matches if the argument is the same as the
248    number.  Example: ``"%plural{1:mouse|:mice}4"``
249  * range: A range in square brackets matches if the argument is within the
250    range.  Then range is inclusive on both ends.  Example:
251    ``"%plural{0:none|1:one|[2,5]:some|:many}2"``
252  * modulo: A modulo operator is followed by a number, and equals sign and
253    either a number or a range.  The tests are the same as for plain numbers
254    and ranges, but the argument is taken modulo the number first.  Example:
255    ``"%plural{%100=0:even hundred|%100=[1,50]:lower half|:everything else}1"``
256
257  The parser is very unforgiving.  A syntax error, even whitespace, will abort,
258  as will a failure to match the argument against any expression.
259
260**"ordinal" format**
261
262Example:
263  ``"ambiguity in %ordinal0 argument"``
264Class:
265  Integers
266Description:
267  This is a formatter which represents the argument number as an ordinal: the
268  value ``1`` becomes ``1st``, ``3`` becomes ``3rd``, and so on.  Values less
269  than ``1`` are not supported.  This formatter is currently hard-coded to use
270  English ordinals.
271
272**"objcclass" format**
273
274Example:
275  ``"method %objcclass0 not found"``
276Class:
277  ``DeclarationName``
278Description:
279  This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
280  to an Objective-C class method selector.  As such, it prints the selector
281  with a leading "``+``".
282
283**"objcinstance" format**
284
285Example:
286  ``"method %objcinstance0 not found"``
287Class:
288  ``DeclarationName``
289Description:
290  This is a simple formatter that indicates the ``DeclarationName`` corresponds
291  to an Objective-C instance method selector.  As such, it prints the selector
292  with a leading "``-``".
293
294**"q" format**
295
296Example:
297  ``"candidate found by name lookup is %q0"``
298Class:
299  ``NamedDecl *``
300Description:
301  This formatter indicates that the fully-qualified name of the declaration
302  should be printed, e.g., "``std::vector``" rather than "``vector``".
303
304**"diff" format**
305
306Example:
307  ``"no known conversion %diff{from $ to $|from argument type to parameter type}1,2"``
308Class:
309  ``QualType``
310Description:
311  This formatter takes two ``QualType``\ s and attempts to print a template
312  difference between the two.  If tree printing is off, the text inside the
313  braces before the pipe is printed, with the formatted text replacing the $.
314  If tree printing is on, the text after the pipe is printed and a type tree is
315  printed after the diagnostic message.
316
317It is really easy to add format specifiers to the Clang diagnostics system, but
318they should be discussed before they are added.  If you are creating a lot of
319repetitive diagnostics and/or have an idea for a useful formatter, please bring
320it up on the cfe-dev mailing list.
321
322**"sub" format**
323
324Example:
325  Given the following record definition of type ``TextSubstitution``:
326
327  .. code-block:: text
328
329    def select_ovl_candidate : TextSubstitution<
330      "%select{function|constructor}0%select{| template| %2}1">;
331
332  which can be used as
333
334  .. code-block:: text
335
336    def note_ovl_candidate : Note<
337      "candidate %sub{select_ovl_candidate}3,2,1 not viable">;
338
339  and will act as if it was written
340  ``"candidate %select{function|constructor}3%select{| template| %1}2 not viable"``.
341Description:
342  This format specifier is used to avoid repeating strings verbatim in multiple
343  diagnostics. The argument to ``%sub`` must name a ``TextSubstitution`` tblgen
344  record. The substitution must specify all arguments used by the substitution,
345  and the modifier indexes in the substitution are re-numbered accordingly. The
346  substituted text must itself be a valid format string before substitution.
347
348.. _internals-producing-diag:
349
350Producing the Diagnostic
351^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
352
353Now that you've created the diagnostic in the ``Diagnostic*Kinds.td`` file, you
354need to write the code that detects the condition in question and emits the new
355diagnostic.  Various components of Clang (e.g., the preprocessor, ``Sema``,
356etc.) provide a helper function named "``Diag``".  It creates a diagnostic and
357accepts the arguments, ranges, and other information that goes along with it.
358
359For example, the binary expression error comes from code like this:
360
361.. code-block:: c++
362
363  if (various things that are bad)
364    Diag(Loc, diag::err_typecheck_invalid_operands)
365      << lex->getType() << rex->getType()
366      << lex->getSourceRange() << rex->getSourceRange();
367
368This shows that use of the ``Diag`` method: it takes a location (a
369:ref:`SourceLocation <SourceLocation>` object) and a diagnostic enum value
370(which matches the name from ``Diagnostic*Kinds.td``).  If the diagnostic takes
371arguments, they are specified with the ``<<`` operator: the first argument
372becomes ``%0``, the second becomes ``%1``, etc.  The diagnostic interface
373allows you to specify arguments of many different types, including ``int`` and
374``unsigned`` for integer arguments, ``const char*`` and ``std::string`` for
375string arguments, ``DeclarationName`` and ``const IdentifierInfo *`` for names,
376``QualType`` for types, etc.  ``SourceRange``\ s are also specified with the
377``<<`` operator, but do not have a specific ordering requirement.
378
379As you can see, adding and producing a diagnostic is pretty straightforward.
380The hard part is deciding exactly what you need to say to help the user,
381picking a suitable wording, and providing the information needed to format it
382correctly.  The good news is that the call site that issues a diagnostic should
383be completely independent of how the diagnostic is formatted and in what
384language it is rendered.
385
386Fix-It Hints
387^^^^^^^^^^^^
388
389In some cases, the front end emits diagnostics when it is clear that some small
390change to the source code would fix the problem.  For example, a missing
391semicolon at the end of a statement or a use of deprecated syntax that is
392easily rewritten into a more modern form.  Clang tries very hard to emit the
393diagnostic and recover gracefully in these and other cases.
394
395However, for these cases where the fix is obvious, the diagnostic can be
396annotated with a hint (referred to as a "fix-it hint") that describes how to
397change the code referenced by the diagnostic to fix the problem.  For example,
398it might add the missing semicolon at the end of the statement or rewrite the
399use of a deprecated construct into something more palatable.  Here is one such
400example from the C++ front end, where we warn about the right-shift operator
401changing meaning from C++98 to C++11:
402
403.. code-block:: text
404
405  test.cpp:3:7: warning: use of right-shift operator ('>>') in template argument
406                         will require parentheses in C++11
407  A<100 >> 2> *a;
408        ^
409    (       )
410
411Here, the fix-it hint is suggesting that parentheses be added, and showing
412exactly where those parentheses would be inserted into the source code.  The
413fix-it hints themselves describe what changes to make to the source code in an
414abstract manner, which the text diagnostic printer renders as a line of
415"insertions" below the caret line.  :ref:`Other diagnostic clients
416<DiagnosticConsumer>` might choose to render the code differently (e.g., as
417markup inline) or even give the user the ability to automatically fix the
418problem.
419
420Fix-it hints on errors and warnings need to obey these rules:
421
422* Since they are automatically applied if ``-Xclang -fixit`` is passed to the
423  driver, they should only be used when it's very likely they match the user's
424  intent.
425* Clang must recover from errors as if the fix-it had been applied.
426
427If a fix-it can't obey these rules, put the fix-it on a note.  Fix-its on notes
428are not applied automatically.
429
430All fix-it hints are described by the ``FixItHint`` class, instances of which
431should be attached to the diagnostic using the ``<<`` operator in the same way
432that highlighted source ranges and arguments are passed to the diagnostic.
433Fix-it hints can be created with one of three constructors:
434
435* ``FixItHint::CreateInsertion(Loc, Code)``
436
437    Specifies that the given ``Code`` (a string) should be inserted before the
438    source location ``Loc``.
439
440* ``FixItHint::CreateRemoval(Range)``
441
442    Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed.
443
444* ``FixItHint::CreateReplacement(Range, Code)``
445
446    Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed,
447    and replaced with the given ``Code`` string.
448
449.. _DiagnosticConsumer:
450
451The ``DiagnosticConsumer`` Interface
452^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
453
454Once code generates a diagnostic with all of the arguments and the rest of the
455relevant information, Clang needs to know what to do with it.  As previously
456mentioned, the diagnostic machinery goes through some filtering to map a
457severity onto a diagnostic level, then (assuming the diagnostic is not mapped
458to "``Ignore``") it invokes an object that implements the ``DiagnosticConsumer``
459interface with the information.
460
461It is possible to implement this interface in many different ways.  For
462example, the normal Clang ``DiagnosticConsumer`` (named
463``TextDiagnosticPrinter``) turns the arguments into strings (according to the
464various formatting rules), prints out the file/line/column information and the
465string, then prints out the line of code, the source ranges, and the caret.
466However, this behavior isn't required.
467
468Another implementation of the ``DiagnosticConsumer`` interface is the
469``TextDiagnosticBuffer`` class, which is used when Clang is in ``-verify``
470mode.  Instead of formatting and printing out the diagnostics, this
471implementation just captures and remembers the diagnostics as they fly by.
472Then ``-verify`` compares the list of produced diagnostics to the list of
473expected ones.  If they disagree, it prints out its own output.  Full
474documentation for the ``-verify`` mode can be found in the Clang API
475documentation for `VerifyDiagnosticConsumer
476</doxygen/classclang_1_1VerifyDiagnosticConsumer.html#details>`_.
477
478There are many other possible implementations of this interface, and this is
479why we prefer diagnostics to pass down rich structured information in
480arguments.  For example, an HTML output might want declaration names be
481linkified to where they come from in the source.  Another example is that a GUI
482might let you click on typedefs to expand them.  This application would want to
483pass significantly more information about types through to the GUI than a
484simple flat string.  The interface allows this to happen.
485
486.. _internals-diag-translation:
487
488Adding Translations to Clang
489^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
490
491Not possible yet! Diagnostic strings should be written in UTF-8, the client can
492translate to the relevant code page if needed.  Each translation completely
493replaces the format string for the diagnostic.
494
495.. _SourceLocation:
496.. _SourceManager:
497
498The ``SourceLocation`` and ``SourceManager`` classes
499----------------------------------------------------
500
501Strangely enough, the ``SourceLocation`` class represents a location within the
502source code of the program.  Important design points include:
503
504#. ``sizeof(SourceLocation)`` must be extremely small, as these are embedded
505   into many AST nodes and are passed around often.  Currently it is 32 bits.
506#. ``SourceLocation`` must be a simple value object that can be efficiently
507   copied.
508#. We should be able to represent a source location for any byte of any input
509   file.  This includes in the middle of tokens, in whitespace, in trigraphs,
510   etc.
511#. A ``SourceLocation`` must encode the current ``#include`` stack that was
512   active when the location was processed.  For example, if the location
513   corresponds to a token, it should contain the set of ``#include``\ s active
514   when the token was lexed.  This allows us to print the ``#include`` stack
515   for a diagnostic.
516#. ``SourceLocation`` must be able to describe macro expansions, capturing both
517   the ultimate instantiation point and the source of the original character
518   data.
519
520In practice, the ``SourceLocation`` works together with the ``SourceManager``
521class to encode two pieces of information about a location: its spelling
522location and its expansion location.  For most tokens, these will be the
523same.  However, for a macro expansion (or tokens that came from a ``_Pragma``
524directive) these will describe the location of the characters corresponding to
525the token and the location where the token was used (i.e., the macro
526expansion point or the location of the ``_Pragma`` itself).
527
528The Clang front-end inherently depends on the location of a token being tracked
529correctly.  If it is ever incorrect, the front-end may get confused and die.
530The reason for this is that the notion of the "spelling" of a ``Token`` in
531Clang depends on being able to find the original input characters for the
532token.  This concept maps directly to the "spelling location" for the token.
533
534``SourceRange`` and ``CharSourceRange``
535---------------------------------------
536
537.. mostly taken from https://lists.llvm.org/pipermail/cfe-dev/2010-August/010595.html
538
539Clang represents most source ranges by [first, last], where "first" and "last"
540each point to the beginning of their respective tokens.  For example consider
541the ``SourceRange`` of the following statement:
542
543.. code-block:: text
544
545  x = foo + bar;
546  ^first    ^last
547
548To map from this representation to a character-based representation, the "last"
549location needs to be adjusted to point to (or past) the end of that token with
550either ``Lexer::MeasureTokenLength()`` or ``Lexer::getLocForEndOfToken()``.  For
551the rare cases where character-level source ranges information is needed we use
552the ``CharSourceRange`` class.
553
554The Driver Library
555==================
556
557The clang Driver and library are documented :doc:`here <DriverInternals>`.
558
559Precompiled Headers
560===================
561
562Clang supports precompiled headers (:doc:`PCH <PCHInternals>`), which  uses a
563serialized representation of Clang's internal data structures, encoded with the
564`LLVM bitstream format <https://llvm.org/docs/BitCodeFormat.html>`_.
565
566The Frontend Library
567====================
568
569The Frontend library contains functionality useful for building tools on top of
570the Clang libraries, for example several methods for outputting diagnostics.
571
572The Lexer and Preprocessor Library
573==================================
574
575The Lexer library contains several tightly-connected classes that are involved
576with the nasty process of lexing and preprocessing C source code.  The main
577interface to this library for outside clients is the large ``Preprocessor``
578class.  It contains the various pieces of state that are required to coherently
579read tokens out of a translation unit.
580
581The core interface to the ``Preprocessor`` object (once it is set up) is the
582``Preprocessor::Lex`` method, which returns the next :ref:`Token <Token>` from
583the preprocessor stream.  There are two types of token providers that the
584preprocessor is capable of reading from: a buffer lexer (provided by the
585:ref:`Lexer <Lexer>` class) and a buffered token stream (provided by the
586:ref:`TokenLexer <TokenLexer>` class).
587
588.. _Token:
589
590The Token class
591---------------
592
593The ``Token`` class is used to represent a single lexed token.  Tokens are
594intended to be used by the lexer/preprocess and parser libraries, but are not
595intended to live beyond them (for example, they should not live in the ASTs).
596
597Tokens most often live on the stack (or some other location that is efficient
598to access) as the parser is running, but occasionally do get buffered up.  For
599example, macro definitions are stored as a series of tokens, and the C++
600front-end periodically needs to buffer tokens up for tentative parsing and
601various pieces of look-ahead.  As such, the size of a ``Token`` matters.  On a
60232-bit system, ``sizeof(Token)`` is currently 16 bytes.
603
604Tokens occur in two forms: :ref:`annotation tokens <AnnotationToken>` and
605normal tokens.  Normal tokens are those returned by the lexer, annotation
606tokens represent semantic information and are produced by the parser, replacing
607normal tokens in the token stream.  Normal tokens contain the following
608information:
609
610* **A SourceLocation** --- This indicates the location of the start of the
611  token.
612
613* **A length** --- This stores the length of the token as stored in the
614  ``SourceBuffer``.  For tokens that include them, this length includes
615  trigraphs and escaped newlines which are ignored by later phases of the
616  compiler.  By pointing into the original source buffer, it is always possible
617  to get the original spelling of a token completely accurately.
618
619* **IdentifierInfo** --- If a token takes the form of an identifier, and if
620  identifier lookup was enabled when the token was lexed (e.g., the lexer was
621  not reading in "raw" mode) this contains a pointer to the unique hash value
622  for the identifier.  Because the lookup happens before keyword
623  identification, this field is set even for language keywords like "``for``".
624
625* **TokenKind** --- This indicates the kind of token as classified by the
626  lexer.  This includes things like ``tok::starequal`` (for the "``*=``"
627  operator), ``tok::ampamp`` for the "``&&``" token, and keyword values (e.g.,
628  ``tok::kw_for``) for identifiers that correspond to keywords.  Note that
629  some tokens can be spelled multiple ways.  For example, C++ supports
630  "operator keywords", where things like "``and``" are treated exactly like the
631  "``&&``" operator.  In these cases, the kind value is set to ``tok::ampamp``,
632  which is good for the parser, which doesn't have to consider both forms.  For
633  something that cares about which form is used (e.g., the preprocessor
634  "stringize" operator) the spelling indicates the original form.
635
636* **Flags** --- There are currently four flags tracked by the
637  lexer/preprocessor system on a per-token basis:
638
639  #. **StartOfLine** --- This was the first token that occurred on its input
640     source line.
641  #. **LeadingSpace** --- There was a space character either immediately before
642     the token or transitively before the token as it was expanded through a
643     macro.  The definition of this flag is very closely defined by the
644     stringizing requirements of the preprocessor.
645  #. **DisableExpand** --- This flag is used internally to the preprocessor to
646     represent identifier tokens which have macro expansion disabled.  This
647     prevents them from being considered as candidates for macro expansion ever
648     in the future.
649  #. **NeedsCleaning** --- This flag is set if the original spelling for the
650     token includes a trigraph or escaped newline.  Since this is uncommon,
651     many pieces of code can fast-path on tokens that did not need cleaning.
652
653One interesting (and somewhat unusual) aspect of normal tokens is that they
654don't contain any semantic information about the lexed value.  For example, if
655the token was a pp-number token, we do not represent the value of the number
656that was lexed (this is left for later pieces of code to decide).
657Additionally, the lexer library has no notion of typedef names vs variable
658names: both are returned as identifiers, and the parser is left to decide
659whether a specific identifier is a typedef or a variable (tracking this
660requires scope information among other things).  The parser can do this
661translation by replacing tokens returned by the preprocessor with "Annotation
662Tokens".
663
664.. _AnnotationToken:
665
666Annotation Tokens
667-----------------
668
669Annotation tokens are tokens that are synthesized by the parser and injected
670into the preprocessor's token stream (replacing existing tokens) to record
671semantic information found by the parser.  For example, if "``foo``" is found
672to be a typedef, the "``foo``" ``tok::identifier`` token is replaced with an
673``tok::annot_typename``.  This is useful for a couple of reasons: 1) this makes
674it easy to handle qualified type names (e.g., "``foo::bar::baz<42>::t``") in
675C++ as a single "token" in the parser.  2) if the parser backtracks, the
676reparse does not need to redo semantic analysis to determine whether a token
677sequence is a variable, type, template, etc.
678
679Annotation tokens are created by the parser and reinjected into the parser's
680token stream (when backtracking is enabled).  Because they can only exist in
681tokens that the preprocessor-proper is done with, it doesn't need to keep
682around flags like "start of line" that the preprocessor uses to do its job.
683Additionally, an annotation token may "cover" a sequence of preprocessor tokens
684(e.g., "``a::b::c``" is five preprocessor tokens).  As such, the valid fields
685of an annotation token are different than the fields for a normal token (but
686they are multiplexed into the normal ``Token`` fields):
687
688* **SourceLocation "Location"** --- The ``SourceLocation`` for the annotation
689  token indicates the first token replaced by the annotation token.  In the
690  example above, it would be the location of the "``a``" identifier.
691* **SourceLocation "AnnotationEndLoc"** --- This holds the location of the last
692  token replaced with the annotation token.  In the example above, it would be
693  the location of the "``c``" identifier.
694* **void* "AnnotationValue"** --- This contains an opaque object that the
695  parser gets from ``Sema``.  The parser merely preserves the information for
696  ``Sema`` to later interpret based on the annotation token kind.
697* **TokenKind "Kind"** --- This indicates the kind of Annotation token this is.
698  See below for the different valid kinds.
699
700Annotation tokens currently come in three kinds:
701
702#. **tok::annot_typename**: This annotation token represents a resolved
703   typename token that is potentially qualified.  The ``AnnotationValue`` field
704   contains the ``QualType`` returned by ``Sema::getTypeName()``, possibly with
705   source location information attached.
706#. **tok::annot_cxxscope**: This annotation token represents a C++ scope
707   specifier, such as "``A::B::``".  This corresponds to the grammar
708   productions "*::*" and "*:: [opt] nested-name-specifier*".  The
709   ``AnnotationValue`` pointer is a ``NestedNameSpecifier *`` returned by the
710   ``Sema::ActOnCXXGlobalScopeSpecifier`` and
711   ``Sema::ActOnCXXNestedNameSpecifier`` callbacks.
712#. **tok::annot_template_id**: This annotation token represents a C++
713   template-id such as "``foo<int, 4>``", where "``foo``" is the name of a
714   template.  The ``AnnotationValue`` pointer is a pointer to a ``malloc``'d
715   ``TemplateIdAnnotation`` object.  Depending on the context, a parsed
716   template-id that names a type might become a typename annotation token (if
717   all we care about is the named type, e.g., because it occurs in a type
718   specifier) or might remain a template-id token (if we want to retain more
719   source location information or produce a new type, e.g., in a declaration of
720   a class template specialization).  template-id annotation tokens that refer
721   to a type can be "upgraded" to typename annotation tokens by the parser.
722
723As mentioned above, annotation tokens are not returned by the preprocessor,
724they are formed on demand by the parser.  This means that the parser has to be
725aware of cases where an annotation could occur and form it where appropriate.
726This is somewhat similar to how the parser handles Translation Phase 6 of C99:
727String Concatenation (see C99 5.1.1.2).  In the case of string concatenation,
728the preprocessor just returns distinct ``tok::string_literal`` and
729``tok::wide_string_literal`` tokens and the parser eats a sequence of them
730wherever the grammar indicates that a string literal can occur.
731
732In order to do this, whenever the parser expects a ``tok::identifier`` or
733``tok::coloncolon``, it should call the ``TryAnnotateTypeOrScopeToken`` or
734``TryAnnotateCXXScopeToken`` methods to form the annotation token.  These
735methods will maximally form the specified annotation tokens and replace the
736current token with them, if applicable.  If the current tokens is not valid for
737an annotation token, it will remain an identifier or "``::``" token.
738
739.. _Lexer:
740
741The ``Lexer`` class
742-------------------
743
744The ``Lexer`` class provides the mechanics of lexing tokens out of a source
745buffer and deciding what they mean.  The ``Lexer`` is complicated by the fact
746that it operates on raw buffers that have not had spelling eliminated (this is
747a necessity to get decent performance), but this is countered with careful
748coding as well as standard performance techniques (for example, the comment
749handling code is vectorized on X86 and PowerPC hosts).
750
751The lexer has a couple of interesting modal features:
752
753* The lexer can operate in "raw" mode.  This mode has several features that
754  make it possible to quickly lex the file (e.g., it stops identifier lookup,
755  doesn't specially handle preprocessor tokens, handles EOF differently, etc).
756  This mode is used for lexing within an "``#if 0``" block, for example.
757* The lexer can capture and return comments as tokens.  This is required to
758  support the ``-C`` preprocessor mode, which passes comments through, and is
759  used by the diagnostic checker to identifier expect-error annotations.
760* The lexer can be in ``ParsingFilename`` mode, which happens when
761  preprocessing after reading a ``#include`` directive.  This mode changes the
762  parsing of "``<``" to return an "angled string" instead of a bunch of tokens
763  for each thing within the filename.
764* When parsing a preprocessor directive (after "``#``") the
765  ``ParsingPreprocessorDirective`` mode is entered.  This changes the parser to
766  return EOD at a newline.
767* The ``Lexer`` uses a ``LangOptions`` object to know whether trigraphs are
768  enabled, whether C++ or ObjC keywords are recognized, etc.
769
770In addition to these modes, the lexer keeps track of a couple of other features
771that are local to a lexed buffer, which change as the buffer is lexed:
772
773* The ``Lexer`` uses ``BufferPtr`` to keep track of the current character being
774  lexed.
775* The ``Lexer`` uses ``IsAtStartOfLine`` to keep track of whether the next
776  lexed token will start with its "start of line" bit set.
777* The ``Lexer`` keeps track of the current "``#if``" directives that are active
778  (which can be nested).
779* The ``Lexer`` keeps track of an :ref:`MultipleIncludeOpt
780  <MultipleIncludeOpt>` object, which is used to detect whether the buffer uses
781  the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``" idiom to prevent multiple
782  inclusion.  If a buffer does, subsequent includes can be ignored if the
783  "``XX``" macro is defined.
784
785.. _TokenLexer:
786
787The ``TokenLexer`` class
788------------------------
789
790The ``TokenLexer`` class is a token provider that returns tokens from a list of
791tokens that came from somewhere else.  It typically used for two things: 1)
792returning tokens from a macro definition as it is being expanded 2) returning
793tokens from an arbitrary buffer of tokens.  The later use is used by
794``_Pragma`` and will most likely be used to handle unbounded look-ahead for the
795C++ parser.
796
797.. _MultipleIncludeOpt:
798
799The ``MultipleIncludeOpt`` class
800--------------------------------
801
802The ``MultipleIncludeOpt`` class implements a really simple little state
803machine that is used to detect the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``"
804idiom that people typically use to prevent multiple inclusion of headers.  If a
805buffer uses this idiom and is subsequently ``#include``'d, the preprocessor can
806simply check to see whether the guarding condition is defined or not.  If so,
807the preprocessor can completely ignore the include of the header.
808
809.. _Parser:
810
811The Parser Library
812==================
813
814This library contains a recursive-descent parser that polls tokens from the
815preprocessor and notifies a client of the parsing progress.
816
817Historically, the parser used to talk to an abstract ``Action`` interface that
818had virtual methods for parse events, for example ``ActOnBinOp()``.  When Clang
819grew C++ support, the parser stopped supporting general ``Action`` clients --
820it now always talks to the :ref:`Sema library <Sema>`.  However, the Parser
821still accesses AST objects only through opaque types like ``ExprResult`` and
822``StmtResult``.  Only :ref:`Sema <Sema>` looks at the AST node contents of these
823wrappers.
824
825.. _AST:
826
827The AST Library
828===============
829
830.. _Type:
831
832The ``Type`` class and its subclasses
833-------------------------------------
834
835The ``Type`` class (and its subclasses) are an important part of the AST.
836Types are accessed through the ``ASTContext`` class, which implicitly creates
837and uniques them as they are needed.  Types have a couple of non-obvious
838features: 1) they do not capture type qualifiers like ``const`` or ``volatile``
839(see :ref:`QualType <QualType>`), and 2) they implicitly capture typedef
840information.  Once created, types are immutable (unlike decls).
841
842Typedefs in C make semantic analysis a bit more complex than it would be without
843them.  The issue is that we want to capture typedef information and represent it
844in the AST perfectly, but the semantics of operations need to "see through"
845typedefs.  For example, consider this code:
846
847.. code-block:: c++
848
849  void func() {
850    typedef int foo;
851    foo X, *Y;
852    typedef foo *bar;
853    bar Z;
854    *X; // error
855    **Y; // error
856    **Z; // error
857  }
858
859The code above is illegal, and thus we expect there to be diagnostics emitted
860on the annotated lines.  In this example, we expect to get:
861
862.. code-block:: text
863
864  test.c:6:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
865    *X; // error
866    ^~
867  test.c:7:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
868    **Y; // error
869    ^~~
870  test.c:8:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
871    **Z; // error
872    ^~~
873
874While this example is somewhat silly, it illustrates the point: we want to
875retain typedef information where possible, so that we can emit errors about
876"``std::string``" instead of "``std::basic_string<char, std:...``".  Doing this
877requires properly keeping typedef information (for example, the type of ``X``
878is "``foo``", not "``int``"), and requires properly propagating it through the
879various operators (for example, the type of ``*Y`` is "``foo``", not
880"``int``").  In order to retain this information, the type of these expressions
881is an instance of the ``TypedefType`` class, which indicates that the type of
882these expressions is a typedef for "``foo``".
883
884Representing types like this is great for diagnostics, because the
885user-specified type is always immediately available.  There are two problems
886with this: first, various semantic checks need to make judgements about the
887*actual structure* of a type, ignoring typedefs.  Second, we need an efficient
888way to query whether two types are structurally identical to each other,
889ignoring typedefs.  The solution to both of these problems is the idea of
890canonical types.
891
892Canonical Types
893^^^^^^^^^^^^^^^
894
895Every instance of the ``Type`` class contains a canonical type pointer.  For
896simple types with no typedefs involved (e.g., "``int``", "``int*``",
897"``int**``"), the type just points to itself.  For types that have a typedef
898somewhere in their structure (e.g., "``foo``", "``foo*``", "``foo**``",
899"``bar``"), the canonical type pointer points to their structurally equivalent
900type without any typedefs (e.g., "``int``", "``int*``", "``int**``", and
901"``int*``" respectively).
902
903This design provides a constant time operation (dereferencing the canonical type
904pointer) that gives us access to the structure of types.  For example, we can
905trivially tell that "``bar``" and "``foo*``" are the same type by dereferencing
906their canonical type pointers and doing a pointer comparison (they both point
907to the single "``int*``" type).
908
909Canonical types and typedef types bring up some complexities that must be
910carefully managed.  Specifically, the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operators
911generally shouldn't be used in code that is inspecting the AST.  For example,
912when type checking the indirection operator (unary "``*``" on a pointer), the
913type checker must verify that the operand has a pointer type.  It would not be
914correct to check that with "``isa<PointerType>(SubExpr->getType())``", because
915this predicate would fail if the subexpression had a typedef type.
916
917The solution to this problem are a set of helper methods on ``Type``, used to
918check their properties.  In this case, it would be correct to use
919"``SubExpr->getType()->isPointerType()``" to do the check.  This predicate will
920return true if the *canonical type is a pointer*, which is true any time the
921type is structurally a pointer type.  The only hard part here is remembering
922not to use the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operations.
923
924The second problem we face is how to get access to the pointer type once we
925know it exists.  To continue the example, the result type of the indirection
926operator is the pointee type of the subexpression.  In order to determine the
927type, we need to get the instance of ``PointerType`` that best captures the
928typedef information in the program.  If the type of the expression is literally
929a ``PointerType``, we can return that, otherwise we have to dig through the
930typedefs to find the pointer type.  For example, if the subexpression had type
931"``foo*``", we could return that type as the result.  If the subexpression had
932type "``bar``", we want to return "``foo*``" (note that we do *not* want
933"``int*``").  In order to provide all of this, ``Type`` has a
934``getAsPointerType()`` method that checks whether the type is structurally a
935``PointerType`` and, if so, returns the best one.  If not, it returns a null
936pointer.
937
938This structure is somewhat mystical, but after meditating on it, it will make
939sense to you :).
940
941.. _QualType:
942
943The ``QualType`` class
944----------------------
945
946The ``QualType`` class is designed as a trivial value class that is small,
947passed by-value and is efficient to query.  The idea of ``QualType`` is that it
948stores the type qualifiers (``const``, ``volatile``, ``restrict``, plus some
949extended qualifiers required by language extensions) separately from the types
950themselves.  ``QualType`` is conceptually a pair of "``Type*``" and the bits
951for these type qualifiers.
952
953By storing the type qualifiers as bits in the conceptual pair, it is extremely
954efficient to get the set of qualifiers on a ``QualType`` (just return the field
955of the pair), add a type qualifier (which is a trivial constant-time operation
956that sets a bit), and remove one or more type qualifiers (just return a
957``QualType`` with the bitfield set to empty).
958
959Further, because the bits are stored outside of the type itself, we do not need
960to create duplicates of types with different sets of qualifiers (i.e. there is
961only a single heap allocated "``int``" type: "``const int``" and "``volatile
962const int``" both point to the same heap allocated "``int``" type).  This
963reduces the heap size used to represent bits and also means we do not have to
964consider qualifiers when uniquing types (:ref:`Type <Type>` does not even
965contain qualifiers).
966
967In practice, the two most common type qualifiers (``const`` and ``restrict``)
968are stored in the low bits of the pointer to the ``Type`` object, together with
969a flag indicating whether extended qualifiers are present (which must be
970heap-allocated).  This means that ``QualType`` is exactly the same size as a
971pointer.
972
973.. _DeclarationName:
974
975Declaration names
976-----------------
977
978The ``DeclarationName`` class represents the name of a declaration in Clang.
979Declarations in the C family of languages can take several different forms.
980Most declarations are named by simple identifiers, e.g., "``f``" and "``x``" in
981the function declaration ``f(int x)``.  In C++, declaration names can also name
982class constructors ("``Class``" in ``struct Class { Class(); }``), class
983destructors ("``~Class``"), overloaded operator names ("``operator+``"), and
984conversion functions ("``operator void const *``").  In Objective-C,
985declaration names can refer to the names of Objective-C methods, which involve
986the method name and the parameters, collectively called a *selector*, e.g.,
987"``setWidth:height:``".  Since all of these kinds of entities --- variables,
988functions, Objective-C methods, C++ constructors, destructors, and operators
989--- are represented as subclasses of Clang's common ``NamedDecl`` class,
990``DeclarationName`` is designed to efficiently represent any kind of name.
991
992Given a ``DeclarationName`` ``N``, ``N.getNameKind()`` will produce a value
993that describes what kind of name ``N`` stores.  There are 10 options (all of
994the names are inside the ``DeclarationName`` class).
995
996``Identifier``
997
998  The name is a simple identifier.  Use ``N.getAsIdentifierInfo()`` to retrieve
999  the corresponding ``IdentifierInfo*`` pointing to the actual identifier.
1000
1001``ObjCZeroArgSelector``, ``ObjCOneArgSelector``, ``ObjCMultiArgSelector``
1002
1003  The name is an Objective-C selector, which can be retrieved as a ``Selector``
1004  instance via ``N.getObjCSelector()``.  The three possible name kinds for
1005  Objective-C reflect an optimization within the ``DeclarationName`` class:
1006  both zero- and one-argument selectors are stored as a masked
1007  ``IdentifierInfo`` pointer, and therefore require very little space, since
1008  zero- and one-argument selectors are far more common than multi-argument
1009  selectors (which use a different structure).
1010
1011``CXXConstructorName``
1012
1013  The name is a C++ constructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1014  the :ref:`type <QualType>` that this constructor is meant to construct.  The
1015  type is always the canonical type, since all constructors for a given type
1016  have the same name.
1017
1018``CXXDestructorName``
1019
1020  The name is a C++ destructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
1021  the :ref:`type <QualType>` whose destructor is being named.  This type is
1022  always a canonical type.
1023
1024``CXXConversionFunctionName``
1025
1026  The name is a C++ conversion function.  Conversion functions are named
1027  according to the type they convert to, e.g., "``operator void const *``".
1028  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve the type that this conversion function
1029  converts to.  This type is always a canonical type.
1030
1031``CXXOperatorName``
1032
1033  The name is a C++ overloaded operator name.  Overloaded operators are named
1034  according to their spelling, e.g., "``operator+``" or "``operator new []``".
1035  Use ``N.getCXXOverloadedOperator()`` to retrieve the overloaded operator (a
1036  value of type ``OverloadedOperatorKind``).
1037
1038``CXXLiteralOperatorName``
1039
1040  The name is a C++11 user defined literal operator.  User defined
1041  Literal operators are named according to the suffix they define,
1042  e.g., "``_foo``" for "``operator "" _foo``".  Use
1043  ``N.getCXXLiteralIdentifier()`` to retrieve the corresponding
1044  ``IdentifierInfo*`` pointing to the identifier.
1045
1046``CXXUsingDirective``
1047
1048  The name is a C++ using directive.  Using directives are not really
1049  NamedDecls, in that they all have the same name, but they are
1050  implemented as such in order to store them in DeclContext
1051  effectively.
1052
1053``DeclarationName``\ s are cheap to create, copy, and compare.  They require
1054only a single pointer's worth of storage in the common cases (identifiers,
1055zero- and one-argument Objective-C selectors) and use dense, uniqued storage
1056for the other kinds of names.  Two ``DeclarationName``\ s can be compared for
1057equality (``==``, ``!=``) using a simple bitwise comparison, can be ordered
1058with ``<``, ``>``, ``<=``, and ``>=`` (which provide a lexicographical ordering
1059for normal identifiers but an unspecified ordering for other kinds of names),
1060and can be placed into LLVM ``DenseMap``\ s and ``DenseSet``\ s.
1061
1062``DeclarationName`` instances can be created in different ways depending on
1063what kind of name the instance will store.  Normal identifiers
1064(``IdentifierInfo`` pointers) and Objective-C selectors (``Selector``) can be
1065implicitly converted to ``DeclarationNames``.  Names for C++ constructors,
1066destructors, conversion functions, and overloaded operators can be retrieved
1067from the ``DeclarationNameTable``, an instance of which is available as
1068``ASTContext::DeclarationNames``.  The member functions
1069``getCXXConstructorName``, ``getCXXDestructorName``,
1070``getCXXConversionFunctionName``, and ``getCXXOperatorName``, respectively,
1071return ``DeclarationName`` instances for the four kinds of C++ special function
1072names.
1073
1074.. _DeclContext:
1075
1076Declaration contexts
1077--------------------
1078
1079Every declaration in a program exists within some *declaration context*, such
1080as a translation unit, namespace, class, or function.  Declaration contexts in
1081Clang are represented by the ``DeclContext`` class, from which the various
1082declaration-context AST nodes (``TranslationUnitDecl``, ``NamespaceDecl``,
1083``RecordDecl``, ``FunctionDecl``, etc.) will derive.  The ``DeclContext`` class
1084provides several facilities common to each declaration context:
1085
1086Source-centric vs. Semantics-centric View of Declarations
1087
1088  ``DeclContext`` provides two views of the declarations stored within a
1089  declaration context.  The source-centric view accurately represents the
1090  program source code as written, including multiple declarations of entities
1091  where present (see the section :ref:`Redeclarations and Overloads
1092  <Redeclarations>`), while the semantics-centric view represents the program
1093  semantics.  The two views are kept synchronized by semantic analysis while
1094  the ASTs are being constructed.
1095
1096Storage of declarations within that context
1097
1098  Every declaration context can contain some number of declarations.  For
1099  example, a C++ class (represented by ``RecordDecl``) contains various member
1100  functions, fields, nested types, and so on.  All of these declarations will
1101  be stored within the ``DeclContext``, and one can iterate over the
1102  declarations via [``DeclContext::decls_begin()``,
1103  ``DeclContext::decls_end()``).  This mechanism provides the source-centric
1104  view of declarations in the context.
1105
1106Lookup of declarations within that context
1107
1108  The ``DeclContext`` structure provides efficient name lookup for names within
1109  that declaration context.  For example, if ``N`` is a namespace we can look
1110  for the name ``N::f`` using ``DeclContext::lookup``.  The lookup itself is
1111  based on a lazily-constructed array (for declaration contexts with a small
1112  number of declarations) or hash table (for declaration contexts with more
1113  declarations).  The lookup operation provides the semantics-centric view of
1114  the declarations in the context.
1115
1116Ownership of declarations
1117
1118  The ``DeclContext`` owns all of the declarations that were declared within
1119  its declaration context, and is responsible for the management of their
1120  memory as well as their (de-)serialization.
1121
1122All declarations are stored within a declaration context, and one can query
1123information about the context in which each declaration lives.  One can
1124retrieve the ``DeclContext`` that contains a particular ``Decl`` using
1125``Decl::getDeclContext``.  However, see the section
1126:ref:`LexicalAndSemanticContexts` for more information about how to interpret
1127this context information.
1128
1129.. _Redeclarations:
1130
1131Redeclarations and Overloads
1132^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1133
1134Within a translation unit, it is common for an entity to be declared several
1135times.  For example, we might declare a function "``f``" and then later
1136re-declare it as part of an inlined definition:
1137
1138.. code-block:: c++
1139
1140  void f(int x, int y, int z = 1);
1141
1142  inline void f(int x, int y, int z) { /* ...  */ }
1143
1144The representation of "``f``" differs in the source-centric and
1145semantics-centric views of a declaration context.  In the source-centric view,
1146all redeclarations will be present, in the order they occurred in the source
1147code, making this view suitable for clients that wish to see the structure of
1148the source code.  In the semantics-centric view, only the most recent "``f``"
1149will be found by the lookup, since it effectively replaces the first
1150declaration of "``f``".
1151
1152In the semantics-centric view, overloading of functions is represented
1153explicitly.  For example, given two declarations of a function "``g``" that are
1154overloaded, e.g.,
1155
1156.. code-block:: c++
1157
1158  void g();
1159  void g(int);
1160
1161the ``DeclContext::lookup`` operation will return a
1162``DeclContext::lookup_result`` that contains a range of iterators over
1163declarations of "``g``".  Clients that perform semantic analysis on a program
1164that is not concerned with the actual source code will primarily use this
1165semantics-centric view.
1166
1167.. _LexicalAndSemanticContexts:
1168
1169Lexical and Semantic Contexts
1170^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1171
1172Each declaration has two potentially different declaration contexts: a
1173*lexical* context, which corresponds to the source-centric view of the
1174declaration context, and a *semantic* context, which corresponds to the
1175semantics-centric view.  The lexical context is accessible via
1176``Decl::getLexicalDeclContext`` while the semantic context is accessible via
1177``Decl::getDeclContext``, both of which return ``DeclContext`` pointers.  For
1178most declarations, the two contexts are identical.  For example:
1179
1180.. code-block:: c++
1181
1182  class X {
1183  public:
1184    void f(int x);
1185  };
1186
1187Here, the semantic and lexical contexts of ``X::f`` are the ``DeclContext``
1188associated with the class ``X`` (itself stored as a ``RecordDecl`` AST node).
1189However, we can now define ``X::f`` out-of-line:
1190
1191.. code-block:: c++
1192
1193  void X::f(int x = 17) { /* ...  */ }
1194
1195This definition of "``f``" has different lexical and semantic contexts.  The
1196lexical context corresponds to the declaration context in which the actual
1197declaration occurred in the source code, e.g., the translation unit containing
1198``X``.  Thus, this declaration of ``X::f`` can be found by traversing the
1199declarations provided by [``decls_begin()``, ``decls_end()``) in the
1200translation unit.
1201
1202The semantic context of ``X::f`` corresponds to the class ``X``, since this
1203member function is (semantically) a member of ``X``.  Lookup of the name ``f``
1204into the ``DeclContext`` associated with ``X`` will then return the definition
1205of ``X::f`` (including information about the default argument).
1206
1207Transparent Declaration Contexts
1208^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1209
1210In C and C++, there are several contexts in which names that are logically
1211declared inside another declaration will actually "leak" out into the enclosing
1212scope from the perspective of name lookup.  The most obvious instance of this
1213behavior is in enumeration types, e.g.,
1214
1215.. code-block:: c++
1216
1217  enum Color {
1218    Red,
1219    Green,
1220    Blue
1221  };
1222
1223Here, ``Color`` is an enumeration, which is a declaration context that contains
1224the enumerators ``Red``, ``Green``, and ``Blue``.  Thus, traversing the list of
1225declarations contained in the enumeration ``Color`` will yield ``Red``,
1226``Green``, and ``Blue``.  However, outside of the scope of ``Color`` one can
1227name the enumerator ``Red`` without qualifying the name, e.g.,
1228
1229.. code-block:: c++
1230
1231  Color c = Red;
1232
1233There are other entities in C++ that provide similar behavior.  For example,
1234linkage specifications that use curly braces:
1235
1236.. code-block:: c++
1237
1238  extern "C" {
1239    void f(int);
1240    void g(int);
1241  }
1242  // f and g are visible here
1243
1244For source-level accuracy, we treat the linkage specification and enumeration
1245type as a declaration context in which its enclosed declarations ("``Red``",
1246"``Green``", and "``Blue``"; "``f``" and "``g``") are declared.  However, these
1247declarations are visible outside of the scope of the declaration context.
1248
1249These language features (and several others, described below) have roughly the
1250same set of requirements: declarations are declared within a particular lexical
1251context, but the declarations are also found via name lookup in scopes
1252enclosing the declaration itself.  This feature is implemented via
1253*transparent* declaration contexts (see
1254``DeclContext::isTransparentContext()``), whose declarations are visible in the
1255nearest enclosing non-transparent declaration context.  This means that the
1256lexical context of the declaration (e.g., an enumerator) will be the
1257transparent ``DeclContext`` itself, as will the semantic context, but the
1258declaration will be visible in every outer context up to and including the
1259first non-transparent declaration context (since transparent declaration
1260contexts can be nested).
1261
1262The transparent ``DeclContext``\ s are:
1263
1264* Enumerations (but not C++11 "scoped enumerations"):
1265
1266  .. code-block:: c++
1267
1268    enum Color {
1269      Red,
1270      Green,
1271      Blue
1272    };
1273    // Red, Green, and Blue are in scope
1274
1275* C++ linkage specifications:
1276
1277  .. code-block:: c++
1278
1279    extern "C" {
1280      void f(int);
1281      void g(int);
1282    }
1283    // f and g are in scope
1284
1285* Anonymous unions and structs:
1286
1287  .. code-block:: c++
1288
1289    struct LookupTable {
1290      bool IsVector;
1291      union {
1292        std::vector<Item> *Vector;
1293        std::set<Item> *Set;
1294      };
1295    };
1296
1297    LookupTable LT;
1298    LT.Vector = 0; // Okay: finds Vector inside the unnamed union
1299
1300* C++11 inline namespaces:
1301
1302  .. code-block:: c++
1303
1304    namespace mylib {
1305      inline namespace debug {
1306        class X;
1307      }
1308    }
1309    mylib::X *xp; // okay: mylib::X refers to mylib::debug::X
1310
1311.. _MultiDeclContext:
1312
1313Multiply-Defined Declaration Contexts
1314^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1315
1316C++ namespaces have the interesting --- and, so far, unique --- property that
1317the namespace can be defined multiple times, and the declarations provided by
1318each namespace definition are effectively merged (from the semantic point of
1319view).  For example, the following two code snippets are semantically
1320indistinguishable:
1321
1322.. code-block:: c++
1323
1324  // Snippet #1:
1325  namespace N {
1326    void f();
1327  }
1328  namespace N {
1329    void f(int);
1330  }
1331
1332  // Snippet #2:
1333  namespace N {
1334    void f();
1335    void f(int);
1336  }
1337
1338In Clang's representation, the source-centric view of declaration contexts will
1339actually have two separate ``NamespaceDecl`` nodes in Snippet #1, each of which
1340is a declaration context that contains a single declaration of "``f``".
1341However, the semantics-centric view provided by name lookup into the namespace
1342``N`` for "``f``" will return a ``DeclContext::lookup_result`` that contains a
1343range of iterators over declarations of "``f``".
1344
1345``DeclContext`` manages multiply-defined declaration contexts internally.  The
1346function ``DeclContext::getPrimaryContext`` retrieves the "primary" context for
1347a given ``DeclContext`` instance, which is the ``DeclContext`` responsible for
1348maintaining the lookup table used for the semantics-centric view.  Given a
1349DeclContext, one can obtain the set of declaration contexts that are
1350semantically connected to this declaration context, in source order, including
1351this context (which will be the only result, for non-namespace contexts) via
1352``DeclContext::collectAllContexts``. Note that these functions are used
1353internally within the lookup and insertion methods of the ``DeclContext``, so
1354the vast majority of clients can ignore them.
1355
1356.. _CFG:
1357
1358The ``CFG`` class
1359-----------------
1360
1361The ``CFG`` class is designed to represent a source-level control-flow graph
1362for a single statement (``Stmt*``).  Typically instances of ``CFG`` are
1363constructed for function bodies (usually an instance of ``CompoundStmt``), but
1364can also be instantiated to represent the control-flow of any class that
1365subclasses ``Stmt``, which includes simple expressions.  Control-flow graphs
1366are especially useful for performing `flow- or path-sensitive
1367<https://en.wikipedia.org/wiki/Data_flow_analysis#Sensitivities>`_ program
1368analyses on a given function.
1369
1370Basic Blocks
1371^^^^^^^^^^^^
1372
1373Concretely, an instance of ``CFG`` is a collection of basic blocks.  Each basic
1374block is an instance of ``CFGBlock``, which simply contains an ordered sequence
1375of ``Stmt*`` (each referring to statements in the AST).  The ordering of
1376statements within a block indicates unconditional flow of control from one
1377statement to the next.  :ref:`Conditional control-flow
1378<ConditionalControlFlow>` is represented using edges between basic blocks.  The
1379statements within a given ``CFGBlock`` can be traversed using the
1380``CFGBlock::*iterator`` interface.
1381
1382A ``CFG`` object owns the instances of ``CFGBlock`` within the control-flow
1383graph it represents.  Each ``CFGBlock`` within a CFG is also uniquely numbered
1384(accessible via ``CFGBlock::getBlockID()``).  Currently the number is based on
1385the ordering the blocks were created, but no assumptions should be made on how
1386``CFGBlocks`` are numbered other than their numbers are unique and that they
1387are numbered from 0..N-1 (where N is the number of basic blocks in the CFG).
1388
1389Entry and Exit Blocks
1390^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1391
1392Each instance of ``CFG`` contains two special blocks: an *entry* block
1393(accessible via ``CFG::getEntry()``), which has no incoming edges, and an
1394*exit* block (accessible via ``CFG::getExit()``), which has no outgoing edges.
1395Neither block contains any statements, and they serve the role of providing a
1396clear entrance and exit for a body of code such as a function body.  The
1397presence of these empty blocks greatly simplifies the implementation of many
1398analyses built on top of CFGs.
1399
1400.. _ConditionalControlFlow:
1401
1402Conditional Control-Flow
1403^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1404
1405Conditional control-flow (such as those induced by if-statements and loops) is
1406represented as edges between ``CFGBlocks``.  Because different C language
1407constructs can induce control-flow, each ``CFGBlock`` also records an extra
1408``Stmt*`` that represents the *terminator* of the block.  A terminator is
1409simply the statement that caused the control-flow, and is used to identify the
1410nature of the conditional control-flow between blocks.  For example, in the
1411case of an if-statement, the terminator refers to the ``IfStmt`` object in the
1412AST that represented the given branch.
1413
1414To illustrate, consider the following code example:
1415
1416.. code-block:: c++
1417
1418  int foo(int x) {
1419    x = x + 1;
1420    if (x > 2)
1421      x++;
1422    else {
1423      x += 2;
1424      x *= 2;
1425    }
1426
1427    return x;
1428  }
1429
1430After invoking the parser+semantic analyzer on this code fragment, the AST of
1431the body of ``foo`` is referenced by a single ``Stmt*``.  We can then construct
1432an instance of ``CFG`` representing the control-flow graph of this function
1433body by single call to a static class method:
1434
1435.. code-block:: c++
1436
1437  Stmt *FooBody = ...
1438  std::unique_ptr<CFG> FooCFG = CFG::buildCFG(FooBody);
1439
1440Along with providing an interface to iterate over its ``CFGBlocks``, the
1441``CFG`` class also provides methods that are useful for debugging and
1442visualizing CFGs.  For example, the method ``CFG::dump()`` dumps a
1443pretty-printed version of the CFG to standard error.  This is especially useful
1444when one is using a debugger such as gdb.  For example, here is the output of
1445``FooCFG->dump()``:
1446
1447.. code-block:: text
1448
1449 [ B5 (ENTRY) ]
1450    Predecessors (0):
1451    Successors (1): B4
1452
1453 [ B4 ]
1454    1: x = x + 1
1455    2: (x > 2)
1456    T: if [B4.2]
1457    Predecessors (1): B5
1458    Successors (2): B3 B2
1459
1460 [ B3 ]
1461    1: x++
1462    Predecessors (1): B4
1463    Successors (1): B1
1464
1465 [ B2 ]
1466    1: x += 2
1467    2: x *= 2
1468    Predecessors (1): B4
1469    Successors (1): B1
1470
1471 [ B1 ]
1472    1: return x;
1473    Predecessors (2): B2 B3
1474    Successors (1): B0
1475
1476 [ B0 (EXIT) ]
1477    Predecessors (1): B1
1478    Successors (0):
1479
1480For each block, the pretty-printed output displays for each block the number of
1481*predecessor* blocks (blocks that have outgoing control-flow to the given
1482block) and *successor* blocks (blocks that have control-flow that have incoming
1483control-flow from the given block).  We can also clearly see the special entry
1484and exit blocks at the beginning and end of the pretty-printed output.  For the
1485entry block (block B5), the number of predecessor blocks is 0, while for the
1486exit block (block B0) the number of successor blocks is 0.
1487
1488The most interesting block here is B4, whose outgoing control-flow represents
1489the branching caused by the sole if-statement in ``foo``.  Of particular
1490interest is the second statement in the block, ``(x > 2)``, and the terminator,
1491printed as ``if [B4.2]``.  The second statement represents the evaluation of
1492the condition of the if-statement, which occurs before the actual branching of
1493control-flow.  Within the ``CFGBlock`` for B4, the ``Stmt*`` for the second
1494statement refers to the actual expression in the AST for ``(x > 2)``.  Thus
1495pointers to subclasses of ``Expr`` can appear in the list of statements in a
1496block, and not just subclasses of ``Stmt`` that refer to proper C statements.
1497
1498The terminator of block B4 is a pointer to the ``IfStmt`` object in the AST.
1499The pretty-printer outputs ``if [B4.2]`` because the condition expression of
1500the if-statement has an actual place in the basic block, and thus the
1501terminator is essentially *referring* to the expression that is the second
1502statement of block B4 (i.e., B4.2).  In this manner, conditions for
1503control-flow (which also includes conditions for loops and switch statements)
1504are hoisted into the actual basic block.
1505
1506.. Implicit Control-Flow
1507.. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1508
1509.. A key design principle of the ``CFG`` class was to not require any
1510.. transformations to the AST in order to represent control-flow.  Thus the
1511.. ``CFG`` does not perform any "lowering" of the statements in an AST: loops
1512.. are not transformed into guarded gotos, short-circuit operations are not
1513.. converted to a set of if-statements, and so on.
1514
1515Constant Folding in the Clang AST
1516---------------------------------
1517
1518There are several places where constants and constant folding matter a lot to
1519the Clang front-end.  First, in general, we prefer the AST to retain the source
1520code as close to how the user wrote it as possible.  This means that if they
1521wrote "``5+4``", we want to keep the addition and two constants in the AST, we
1522don't want to fold to "``9``".  This means that constant folding in various
1523ways turns into a tree walk that needs to handle the various cases.
1524
1525However, there are places in both C and C++ that require constants to be
1526folded.  For example, the C standard defines what an "integer constant
1527expression" (i-c-e) is with very precise and specific requirements.  The
1528language then requires i-c-e's in a lot of places (for example, the size of a
1529bitfield, the value for a case statement, etc).  For these, we have to be able
1530to constant fold the constants, to do semantic checks (e.g., verify bitfield
1531size is non-negative and that case statements aren't duplicated).  We aim for
1532Clang to be very pedantic about this, diagnosing cases when the code does not
1533use an i-c-e where one is required, but accepting the code unless running with
1534``-pedantic-errors``.
1535
1536Things get a little bit more tricky when it comes to compatibility with
1537real-world source code.  Specifically, GCC has historically accepted a huge
1538superset of expressions as i-c-e's, and a lot of real world code depends on
1539this unfortunate accident of history (including, e.g., the glibc system
1540headers).  GCC accepts anything its "fold" optimizer is capable of reducing to
1541an integer constant, which means that the definition of what it accepts changes
1542as its optimizer does.  One example is that GCC accepts things like "``case
1543X-X:``" even when ``X`` is a variable, because it can fold this to 0.
1544
1545Another issue are how constants interact with the extensions we support, such
1546as ``__builtin_constant_p``, ``__builtin_inf``, ``__extension__`` and many
1547others.  C99 obviously does not specify the semantics of any of these
1548extensions, and the definition of i-c-e does not include them.  However, these
1549extensions are often used in real code, and we have to have a way to reason
1550about them.
1551
1552Finally, this is not just a problem for semantic analysis.  The code generator
1553and other clients have to be able to fold constants (e.g., to initialize global
1554variables) and has to handle a superset of what C99 allows.  Further, these
1555clients can benefit from extended information.  For example, we know that
1556"``foo() || 1``" always evaluates to ``true``, but we can't replace the
1557expression with ``true`` because it has side effects.
1558
1559Implementation Approach
1560^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1561
1562After trying several different approaches, we've finally converged on a design
1563(Note, at the time of this writing, not all of this has been implemented,
1564consider this a design goal!).  Our basic approach is to define a single
1565recursive evaluation method (``Expr::Evaluate``), which is implemented
1566in ``AST/ExprConstant.cpp``.  Given an expression with "scalar" type (integer,
1567fp, complex, or pointer) this method returns the following information:
1568
1569* Whether the expression is an integer constant expression, a general constant
1570  that was folded but has no side effects, a general constant that was folded
1571  but that does have side effects, or an uncomputable/unfoldable value.
1572* If the expression was computable in any way, this method returns the
1573  ``APValue`` for the result of the expression.
1574* If the expression is not evaluatable at all, this method returns information
1575  on one of the problems with the expression.  This includes a
1576  ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that explains
1577  the problem.  The diagnostic should have ``ERROR`` type.
1578* If the expression is not an integer constant expression, this method returns
1579  information on one of the problems with the expression.  This includes a
1580  ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that
1581  explains the problem.  The diagnostic should have ``EXTENSION`` type.
1582
1583This information gives various clients the flexibility that they want, and we
1584will eventually have some helper methods for various extensions.  For example,
1585``Sema`` should have a ``Sema::VerifyIntegerConstantExpression`` method, which
1586calls ``Evaluate`` on the expression.  If the expression is not foldable, the
1587error is emitted, and it would return ``true``.  If the expression is not an
1588i-c-e, the ``EXTENSION`` diagnostic is emitted.  Finally it would return
1589``false`` to indicate that the AST is OK.
1590
1591Other clients can use the information in other ways, for example, codegen can
1592just use expressions that are foldable in any way.
1593
1594Extensions
1595^^^^^^^^^^
1596
1597This section describes how some of the various extensions Clang supports
1598interacts with constant evaluation:
1599
1600* ``__extension__``: The expression form of this extension causes any
1601  evaluatable subexpression to be accepted as an integer constant expression.
1602* ``__builtin_constant_p``: This returns true (as an integer constant
1603  expression) if the operand evaluates to either a numeric value (that is, not
1604  a pointer cast to integral type) of integral, enumeration, floating or
1605  complex type, or if it evaluates to the address of the first character of a
1606  string literal (possibly cast to some other type).  As a special case, if
1607  ``__builtin_constant_p`` is the (potentially parenthesized) condition of a
1608  conditional operator expression ("``?:``"), only the true side of the
1609  conditional operator is considered, and it is evaluated with full constant
1610  folding.
1611* ``__builtin_choose_expr``: The condition is required to be an integer
1612  constant expression, but we accept any constant as an "extension of an
1613  extension".  This only evaluates one operand depending on which way the
1614  condition evaluates.
1615* ``__builtin_classify_type``: This always returns an integer constant
1616  expression.
1617* ``__builtin_inf, nan, ...``: These are treated just like a floating-point
1618  literal.
1619* ``__builtin_abs, copysign, ...``: These are constant folded as general
1620  constant expressions.
1621* ``__builtin_strlen`` and ``strlen``: These are constant folded as integer
1622  constant expressions if the argument is a string literal.
1623
1624.. _Sema:
1625
1626The Sema Library
1627================
1628
1629This library is called by the :ref:`Parser library <Parser>` during parsing to
1630do semantic analysis of the input.  For valid programs, Sema builds an AST for
1631parsed constructs.
1632
1633.. _CodeGen:
1634
1635The CodeGen Library
1636===================
1637
1638CodeGen takes an :ref:`AST <AST>` as input and produces `LLVM IR code
1639<//llvm.org/docs/LangRef.html>`_ from it.
1640
1641How to change Clang
1642===================
1643
1644How to add an attribute
1645-----------------------
1646Attributes are a form of metadata that can be attached to a program construct,
1647allowing the programmer to pass semantic information along to the compiler for
1648various uses. For example, attributes may be used to alter the code generation
1649for a program construct, or to provide extra semantic information for static
1650analysis. This document explains how to add a custom attribute to Clang.
1651Documentation on existing attributes can be found `here
1652<//clang.llvm.org/docs/AttributeReference.html>`_.
1653
1654Attribute Basics
1655^^^^^^^^^^^^^^^^
1656Attributes in Clang are handled in three stages: parsing into a parsed attribute
1657representation, conversion from a parsed attribute into a semantic attribute,
1658and then the semantic handling of the attribute.
1659
1660Parsing of the attribute is determined by the various syntactic forms attributes
1661can take, such as GNU, C++11, and Microsoft style attributes, as well as other
1662information provided by the table definition of the attribute. Ultimately, the
1663parsed representation of an attribute object is an ``ParsedAttr`` object.
1664These parsed attributes chain together as a list of parsed attributes attached
1665to a declarator or declaration specifier. The parsing of attributes is handled
1666automatically by Clang, except for attributes spelled as keywords. When
1667implementing a keyword attribute, the parsing of the keyword and creation of the
1668``ParsedAttr`` object must be done manually.
1669
1670Eventually, ``Sema::ProcessDeclAttributeList()`` is called with a ``Decl`` and
1671an ``ParsedAttr``, at which point the parsed attribute can be transformed
1672into a semantic attribute. The process by which a parsed attribute is converted
1673into a semantic attribute depends on the attribute definition and semantic
1674requirements of the attribute. The end result, however, is that the semantic
1675attribute object is attached to the ``Decl`` object, and can be obtained by a
1676call to ``Decl::getAttr<T>()``.
1677
1678The structure of the semantic attribute is also governed by the attribute
1679definition given in Attr.td. This definition is used to automatically generate
1680functionality used for the implementation of the attribute, such as a class
1681derived from ``clang::Attr``, information for the parser to use, automated
1682semantic checking for some attributes, etc.
1683
1684
1685``include/clang/Basic/Attr.td``
1686^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1687The first step to adding a new attribute to Clang is to add its definition to
1688`include/clang/Basic/Attr.td
1689<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/Attr.td>`_.
1690This tablegen definition must derive from the ``Attr`` (tablegen, not
1691semantic) type, or one of its derivatives. Most attributes will derive from the
1692``InheritableAttr`` type, which specifies that the attribute can be inherited by
1693later redeclarations of the ``Decl`` it is associated with.
1694``InheritableParamAttr`` is similar to ``InheritableAttr``, except that the
1695attribute is written on a parameter instead of a declaration. If the attribute
1696is intended to apply to a type instead of a declaration, such an attribute
1697should derive from ``TypeAttr``, and will generally not be given an AST
1698representation. (Note that this document does not cover the creation of type
1699attributes.) An attribute that inherits from ``IgnoredAttr`` is parsed, but will
1700generate an ignored attribute diagnostic when used, which may be useful when an
1701attribute is supported by another vendor but not supported by clang.
1702
1703The definition will specify several key pieces of information, such as the
1704semantic name of the attribute, the spellings the attribute supports, the
1705arguments the attribute expects, and more. Most members of the ``Attr`` tablegen
1706type do not require definitions in the derived definition as the default
1707suffice. However, every attribute must specify at least a spelling list, a
1708subject list, and a documentation list.
1709
1710Spellings
1711~~~~~~~~~
1712All attributes are required to specify a spelling list that denotes the ways in
1713which the attribute can be spelled. For instance, a single semantic attribute
1714may have a keyword spelling, as well as a C++11 spelling and a GNU spelling. An
1715empty spelling list is also permissible and may be useful for attributes which
1716are created implicitly. The following spellings are accepted:
1717
1718  ============  ================================================================
1719  Spelling      Description
1720  ============  ================================================================
1721  ``GNU``       Spelled with a GNU-style ``__attribute__((attr))`` syntax and
1722                placement.
1723  ``CXX11``     Spelled with a C++-style ``[[attr]]`` syntax. If the attribute
1724                is meant to be used by Clang, it should set the namespace to
1725                ``"clang"``.
1726  ``Declspec``  Spelled with a Microsoft-style ``__declspec(attr)`` syntax.
1727  ``Keyword``   The attribute is spelled as a keyword, and required custom
1728                parsing.
1729  ``GCC``       Specifies two spellings: the first is a GNU-style spelling, and
1730                the second is a C++-style spelling with the ``gnu`` namespace.
1731                Attributes should only specify this spelling for attributes
1732                supported by GCC.
1733  ``Pragma``    The attribute is spelled as a ``#pragma``, and requires custom
1734                processing within the preprocessor. If the attribute is meant to
1735                be used by Clang, it should set the namespace to ``"clang"``.
1736                Note that this spelling is not used for declaration attributes.
1737  ============  ================================================================
1738
1739Subjects
1740~~~~~~~~
1741Attributes appertain to one or more ``Decl`` subjects. If the attribute attempts
1742to attach to a subject that is not in the subject list, a diagnostic is issued
1743automatically. Whether the diagnostic is a warning or an error depends on how
1744the attribute's ``SubjectList`` is defined, but the default behavior is to warn.
1745The diagnostics displayed to the user are automatically determined based on the
1746subjects in the list, but a custom diagnostic parameter can also be specified in
1747the ``SubjectList``. The diagnostics generated for subject list violations are
1748either ``diag::warn_attribute_wrong_decl_type`` or
1749``diag::err_attribute_wrong_decl_type``, and the parameter enumeration is found
1750in `include/clang/Sema/ParsedAttr.h
1751<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Sema/ParsedAttr.h>`_
1752If a previously unused Decl node is added to the ``SubjectList``, the logic used
1753to automatically determine the diagnostic parameter in `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
1754<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
1755may need to be updated.
1756
1757By default, all subjects in the SubjectList must either be a Decl node defined
1758in ``DeclNodes.td``, or a statement node defined in ``StmtNodes.td``. However,
1759more complex subjects can be created by creating a ``SubsetSubject`` object.
1760Each such object has a base subject which it appertains to (which must be a
1761Decl or Stmt node, and not a SubsetSubject node), and some custom code which is
1762called when determining whether an attribute appertains to the subject. For
1763instance, a ``NonBitField`` SubsetSubject appertains to a ``FieldDecl``, and
1764tests whether the given FieldDecl is a bit field. When a SubsetSubject is
1765specified in a SubjectList, a custom diagnostic parameter must also be provided.
1766
1767Diagnostic checking for attribute subject lists is automated except when
1768``HasCustomParsing`` is set to ``1``.
1769
1770Documentation
1771~~~~~~~~~~~~~
1772All attributes must have some form of documentation associated with them.
1773Documentation is table generated on the public web server by a server-side
1774process that runs daily. Generally, the documentation for an attribute is a
1775stand-alone definition in `include/clang/Basic/AttrDocs.td 
1776<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/AttrDocs.td>`_
1777that is named after the attribute being documented.
1778
1779If the attribute is not for public consumption, or is an implicitly-created
1780attribute that has no visible spelling, the documentation list can specify the
1781``Undocumented`` object. Otherwise, the attribute should have its documentation
1782added to AttrDocs.td.
1783
1784Documentation derives from the ``Documentation`` tablegen type. All derived
1785types must specify a documentation category and the actual documentation itself.
1786Additionally, it can specify a custom heading for the attribute, though a
1787default heading will be chosen when possible.
1788
1789There are four predefined documentation categories: ``DocCatFunction`` for
1790attributes that appertain to function-like subjects, ``DocCatVariable`` for
1791attributes that appertain to variable-like subjects, ``DocCatType`` for type
1792attributes, and ``DocCatStmt`` for statement attributes. A custom documentation
1793category should be used for groups of attributes with similar functionality. 
1794Custom categories are good for providing overview information for the attributes
1795grouped under it. For instance, the consumed annotation attributes define a
1796custom category, ``DocCatConsumed``, that explains what consumed annotations are
1797at a high level.
1798
1799Documentation content (whether it is for an attribute or a category) is written
1800using reStructuredText (RST) syntax.
1801
1802After writing the documentation for the attribute, it should be locally tested
1803to ensure that there are no issues generating the documentation on the server.
1804Local testing requires a fresh build of clang-tblgen. To generate the attribute
1805documentation, execute the following command::
1806
1807  clang-tblgen -gen-attr-docs -I /path/to/clang/include /path/to/clang/include/clang/Basic/Attr.td -o /path/to/clang/docs/AttributeReference.rst
1808
1809When testing locally, *do not* commit changes to ``AttributeReference.rst``.
1810This file is generated by the server automatically, and any changes made to this
1811file will be overwritten.
1812
1813Arguments
1814~~~~~~~~~
1815Attributes may optionally specify a list of arguments that can be passed to the
1816attribute. Attribute arguments specify both the parsed form and the semantic
1817form of the attribute. For example, if ``Args`` is
1818``[StringArgument<"Arg1">, IntArgument<"Arg2">]`` then
1819``__attribute__((myattribute("Hello", 3)))`` will be a valid use; it requires
1820two arguments while parsing, and the Attr subclass' constructor for the
1821semantic attribute will require a string and integer argument.
1822
1823All arguments have a name and a flag that specifies whether the argument is
1824optional. The associated C++ type of the argument is determined by the argument
1825definition type. If the existing argument types are insufficient, new types can
1826be created, but it requires modifying `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp
1827<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp>`_
1828to properly support the type.
1829
1830Other Properties
1831~~~~~~~~~~~~~~~~
1832The ``Attr`` definition has other members which control the behavior of the
1833attribute. Many of them are special-purpose and beyond the scope of this
1834document, however a few deserve mention.
1835
1836If the parsed form of the attribute is more complex, or differs from the
1837semantic form, the ``HasCustomParsing`` bit can be set to ``1`` for the class,
1838and the parsing code in `Parser::ParseGNUAttributeArgs()
1839<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/lib/Parse/ParseDecl.cpp>`_
1840can be updated for the special case. Note that this only applies to arguments
1841with a GNU spelling -- attributes with a __declspec spelling currently ignore
1842this flag and are handled by ``Parser::ParseMicrosoftDeclSpec``.
1843
1844Note that setting this member to 1 will opt out of common attribute semantic
1845handling, requiring extra implementation efforts to ensure the attribute
1846appertains to the appropriate subject, etc.
1847
1848If the attribute should not be propagated from a template declaration to an
1849instantiation of the template, set the ``Clone`` member to 0. By default, all
1850attributes will be cloned to template instantiations.
1851
1852Attributes that do not require an AST node should set the ``ASTNode`` field to
1853``0`` to avoid polluting the AST. Note that anything inheriting from
1854``TypeAttr`` or ``IgnoredAttr`` automatically do not generate an AST node. All
1855other attributes generate an AST node by default. The AST node is the semantic
1856representation of the attribute.
1857
1858The ``LangOpts`` field specifies a list of language options required by the
1859attribute.  For instance, all of the CUDA-specific attributes specify ``[CUDA]``
1860for the ``LangOpts`` field, and when the CUDA language option is not enabled, an
1861"attribute ignored" warning diagnostic is emitted. Since language options are
1862not table generated nodes, new language options must be created manually and
1863should specify the spelling used by ``LangOptions`` class.
1864
1865Custom accessors can be generated for an attribute based on the spelling list
1866for that attribute. For instance, if an attribute has two different spellings:
1867'Foo' and 'Bar', accessors can be created:
1868``[Accessor<"isFoo", [GNU<"Foo">]>, Accessor<"isBar", [GNU<"Bar">]>]``
1869These accessors will be generated on the semantic form of the attribute,
1870accepting no arguments and returning a ``bool``.
1871
1872Attributes that do not require custom semantic handling should set the
1873``SemaHandler`` field to ``0``. Note that anything inheriting from
1874``IgnoredAttr`` automatically do not get a semantic handler. All other
1875attributes are assumed to use a semantic handler by default. Attributes
1876without a semantic handler are not given a parsed attribute ``Kind`` enumerator.
1877
1878Target-specific attributes may share a spelling with other attributes in
1879different targets. For instance, the ARM and MSP430 targets both have an
1880attribute spelled ``GNU<"interrupt">``, but with different parsing and semantic
1881requirements. To support this feature, an attribute inheriting from
1882``TargetSpecificAttribute`` may specify a ``ParseKind`` field. This field
1883should be the same value between all arguments sharing a spelling, and
1884corresponds to the parsed attribute's ``Kind`` enumerator. This allows
1885attributes to share a parsed attribute kind, but have distinct semantic
1886attribute classes. For instance, ``ParsedAttr`` is the shared
1887parsed attribute kind, but ARMInterruptAttr and MSP430InterruptAttr are the
1888semantic attributes generated.
1889
1890By default, attribute arguments are parsed in an evaluated context. If the
1891arguments for an attribute should be parsed in an unevaluated context (akin to
1892the way the argument to a ``sizeof`` expression is parsed), set
1893``ParseArgumentsAsUnevaluated`` to ``1``.
1894
1895If additional functionality is desired for the semantic form of the attribute,
1896the ``AdditionalMembers`` field specifies code to be copied verbatim into the
1897semantic attribute class object, with ``public`` access.
1898
1899Boilerplate
1900^^^^^^^^^^^
1901All semantic processing of declaration attributes happens in `lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp
1902<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp>`_,
1903and generally starts in the ``ProcessDeclAttribute()`` function. If the
1904attribute is a "simple" attribute -- meaning that it requires no custom semantic
1905processing aside from what is automatically  provided, add a call to
1906``handleSimpleAttribute<YourAttr>(S, D, Attr);`` to the switch statement.
1907Otherwise, write a new ``handleYourAttr()`` function, and add that to the switch
1908statement. Please do not implement handling logic directly in the ``case`` for
1909the attribute.
1910
1911Unless otherwise specified by the attribute definition, common semantic checking
1912of the parsed attribute is handled automatically. This includes diagnosing
1913parsed attributes that do not appertain to the given ``Decl``, ensuring the
1914correct minimum number of arguments are passed, etc.
1915
1916If the attribute adds additional warnings, define a ``DiagGroup`` in
1917`include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td
1918<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td>`_
1919named after the attribute's ``Spelling`` with "_"s replaced by "-"s. If there
1920is only a single diagnostic, it is permissible to use ``InGroup<DiagGroup<"your-attribute">>``
1921directly in `DiagnosticSemaKinds.td
1922<https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/clang/include/clang/Basic/DiagnosticSemaKinds.td>`_
1923
1924All semantic diagnostics generated for your attribute, including automatically-
1925generated ones (such as subjects and argument counts), should have a
1926corresponding test case.
1927
1928Semantic handling
1929^^^^^^^^^^^^^^^^^
1930Most attributes are implemented to have some effect on the compiler. For
1931instance, to modify the way code is generated, or to add extra semantic checks
1932for an analysis pass, etc. Having added the attribute definition and conversion
1933to the semantic representation for the attribute, what remains is to implement
1934the custom logic requiring use of the attribute.
1935
1936The ``clang::Decl`` object can be queried for the presence or absence of an
1937attribute using ``hasAttr<T>()``. To obtain a pointer to the semantic
1938representation of the attribute, ``getAttr<T>`` may be used.
1939
1940How to add an expression or statement
1941-------------------------------------
1942
1943Expressions and statements are one of the most fundamental constructs within a
1944compiler, because they interact with many different parts of the AST, semantic
1945analysis, and IR generation.  Therefore, adding a new expression or statement
1946kind into Clang requires some care.  The following list details the various
1947places in Clang where an expression or statement needs to be introduced, along
1948with patterns to follow to ensure that the new expression or statement works
1949well across all of the C languages.  We focus on expressions, but statements
1950are similar.
1951
1952#. Introduce parsing actions into the parser.  Recursive-descent parsing is
1953   mostly self-explanatory, but there are a few things that are worth keeping
1954   in mind:
1955
1956   * Keep as much source location information as possible! You'll want it later
1957     to produce great diagnostics and support Clang's various features that map
1958     between source code and the AST.
1959   * Write tests for all of the "bad" parsing cases, to make sure your recovery
1960     is good.  If you have matched delimiters (e.g., parentheses, square
1961     brackets, etc.), use ``Parser::BalancedDelimiterTracker`` to give nice
1962     diagnostics when things go wrong.
1963
1964#. Introduce semantic analysis actions into ``Sema``.  Semantic analysis should
1965   always involve two functions: an ``ActOnXXX`` function that will be called
1966   directly from the parser, and a ``BuildXXX`` function that performs the
1967   actual semantic analysis and will (eventually!) build the AST node.  It's
1968   fairly common for the ``ActOnCXX`` function to do very little (often just
1969   some minor translation from the parser's representation to ``Sema``'s
1970   representation of the same thing), but the separation is still important:
1971   C++ template instantiation, for example, should always call the ``BuildXXX``
1972   variant.  Several notes on semantic analysis before we get into construction
1973   of the AST:
1974
1975   * Your expression probably involves some types and some subexpressions.
1976     Make sure to fully check that those types, and the types of those
1977     subexpressions, meet your expectations.  Add implicit conversions where
1978     necessary to make sure that all of the types line up exactly the way you
1979     want them.  Write extensive tests to check that you're getting good
1980     diagnostics for mistakes and that you can use various forms of
1981     subexpressions with your expression.
1982   * When type-checking a type or subexpression, make sure to first check
1983     whether the type is "dependent" (``Type::isDependentType()``) or whether a
1984     subexpression is type-dependent (``Expr::isTypeDependent()``).  If any of
1985     these return ``true``, then you're inside a template and you can't do much
1986     type-checking now.  That's normal, and your AST node (when you get there)
1987     will have to deal with this case.  At this point, you can write tests that
1988     use your expression within templates, but don't try to instantiate the
1989     templates.
1990   * For each subexpression, be sure to call ``Sema::CheckPlaceholderExpr()``
1991     to deal with "weird" expressions that don't behave well as subexpressions.
1992     Then, determine whether you need to perform lvalue-to-rvalue conversions
1993     (``Sema::DefaultLvalueConversions``) or the usual unary conversions
1994     (``Sema::UsualUnaryConversions``), for places where the subexpression is
1995     producing a value you intend to use.
1996   * Your ``BuildXXX`` function will probably just return ``ExprError()`` at
1997     this point, since you don't have an AST.  That's perfectly fine, and
1998     shouldn't impact your testing.
1999
2000#. Introduce an AST node for your new expression.  This starts with declaring
2001   the node in ``include/Basic/StmtNodes.td`` and creating a new class for your
2002   expression in the appropriate ``include/AST/Expr*.h`` header.  It's best to
2003   look at the class for a similar expression to get ideas, and there are some
2004   specific things to watch for:
2005
2006   * If you need to allocate memory, use the ``ASTContext`` allocator to
2007     allocate memory.  Never use raw ``malloc`` or ``new``, and never hold any
2008     resources in an AST node, because the destructor of an AST node is never
2009     called.
2010   * Make sure that ``getSourceRange()`` covers the exact source range of your
2011     expression.  This is needed for diagnostics and for IDE support.
2012   * Make sure that ``children()`` visits all of the subexpressions.  This is
2013     important for a number of features (e.g., IDE support, C++ variadic
2014     templates).  If you have sub-types, you'll also need to visit those
2015     sub-types in ``RecursiveASTVisitor``.
2016   * Add printing support (``StmtPrinter.cpp``) for your expression.
2017   * Add profiling support (``StmtProfile.cpp``) for your AST node, noting the
2018     distinguishing (non-source location) characteristics of an instance of
2019     your expression.  Omitting this step will lead to hard-to-diagnose
2020     failures regarding matching of template declarations.
2021   * Add serialization support (``ASTReaderStmt.cpp``, ``ASTWriterStmt.cpp``)
2022     for your AST node.
2023
2024#. Teach semantic analysis to build your AST node.  At this point, you can wire
2025   up your ``Sema::BuildXXX`` function to actually create your AST.  A few
2026   things to check at this point:
2027
2028   * If your expression can construct a new C++ class or return a new
2029     Objective-C object, be sure to update and then call
2030     ``Sema::MaybeBindToTemporary`` for your just-created AST node to be sure
2031     that the object gets properly destructed.  An easy way to test this is to
2032     return a C++ class with a private destructor: semantic analysis should
2033     flag an error here with the attempt to call the destructor.
2034   * Inspect the generated AST by printing it using ``clang -cc1 -ast-print``,
2035     to make sure you're capturing all of the important information about how
2036     the AST was written.
2037   * Inspect the generated AST under ``clang -cc1 -ast-dump`` to verify that
2038     all of the types in the generated AST line up the way you want them.
2039     Remember that clients of the AST should never have to "think" to
2040     understand what's going on.  For example, all implicit conversions should
2041     show up explicitly in the AST.
2042   * Write tests that use your expression as a subexpression of other,
2043     well-known expressions.  Can you call a function using your expression as
2044     an argument?  Can you use the ternary operator?
2045
2046#. Teach code generation to create IR to your AST node.  This step is the first
2047   (and only) that requires knowledge of LLVM IR.  There are several things to
2048   keep in mind:
2049
2050   * Code generation is separated into scalar/aggregate/complex and
2051     lvalue/rvalue paths, depending on what kind of result your expression
2052     produces.  On occasion, this requires some careful factoring of code to
2053     avoid duplication.
2054   * ``CodeGenFunction`` contains functions ``ConvertType`` and
2055     ``ConvertTypeForMem`` that convert Clang's types (``clang::Type*`` or
2056     ``clang::QualType``) to LLVM types.  Use the former for values, and the
2057     latter for memory locations: test with the C++ "``bool``" type to check
2058     this.  If you find that you are having to use LLVM bitcasts to make the
2059     subexpressions of your expression have the type that your expression
2060     expects, STOP!  Go fix semantic analysis and the AST so that you don't
2061     need these bitcasts.
2062   * The ``CodeGenFunction`` class has a number of helper functions to make
2063     certain operations easy, such as generating code to produce an lvalue or
2064     an rvalue, or to initialize a memory location with a given value.  Prefer
2065     to use these functions rather than directly writing loads and stores,
2066     because these functions take care of some of the tricky details for you
2067     (e.g., for exceptions).
2068   * If your expression requires some special behavior in the event of an
2069     exception, look at the ``push*Cleanup`` functions in ``CodeGenFunction``
2070     to introduce a cleanup.  You shouldn't have to deal with
2071     exception-handling directly.
2072   * Testing is extremely important in IR generation.  Use ``clang -cc1
2073     -emit-llvm`` and `FileCheck
2074     <https://llvm.org/docs/CommandGuide/FileCheck.html>`_ to verify that you're
2075     generating the right IR.
2076
2077#. Teach template instantiation how to cope with your AST node, which requires
2078   some fairly simple code:
2079
2080   * Make sure that your expression's constructor properly computes the flags
2081     for type dependence (i.e., the type your expression produces can change
2082     from one instantiation to the next), value dependence (i.e., the constant
2083     value your expression produces can change from one instantiation to the
2084     next), instantiation dependence (i.e., a template parameter occurs
2085     anywhere in your expression), and whether your expression contains a
2086     parameter pack (for variadic templates).  Often, computing these flags
2087     just means combining the results from the various types and
2088     subexpressions.
2089   * Add ``TransformXXX`` and ``RebuildXXX`` functions to the ``TreeTransform``
2090     class template in ``Sema``.  ``TransformXXX`` should (recursively)
2091     transform all of the subexpressions and types within your expression,
2092     using ``getDerived().TransformYYY``.  If all of the subexpressions and
2093     types transform without error, it will then call the ``RebuildXXX``
2094     function, which will in turn call ``getSema().BuildXXX`` to perform
2095     semantic analysis and build your expression.
2096   * To test template instantiation, take those tests you wrote to make sure
2097     that you were type checking with type-dependent expressions and dependent
2098     types (from step #2) and instantiate those templates with various types,
2099     some of which type-check and some that don't, and test the error messages
2100     in each case.
2101
2102#. There are some "extras" that make other features work better.  It's worth
2103   handling these extras to give your expression complete integration into
2104   Clang:
2105
2106   * Add code completion support for your expression in
2107     ``SemaCodeComplete.cpp``.
2108   * If your expression has types in it, or has any "interesting" features
2109     other than subexpressions, extend libclang's ``CursorVisitor`` to provide
2110     proper visitation for your expression, enabling various IDE features such
2111     as syntax highlighting, cross-referencing, and so on.  The
2112     ``c-index-test`` helper program can be used to test these features.
2113
2114