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Vendor import of clang RELEASE_360/rc1 tag r226102 (effectively, 3.6.0 RC1):
[FreeBSD/FreeBSD.git] / docs / InternalsManual.rst
1 ============================
2 "Clang" CFE Internals Manual
3 ============================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This document describes some of the more important APIs and internal design
12 decisions made in the Clang C front-end.  The purpose of this document is to
13 both capture some of this high level information and also describe some of the
14 design decisions behind it.  This is meant for people interested in hacking on
15 Clang, not for end-users.  The description below is categorized by libraries,
16 and does not describe any of the clients of the libraries.
17
18 LLVM Support Library
19 ====================
20
21 The LLVM ``libSupport`` library provides many underlying libraries and
22 `data-structures <http://llvm.org/docs/ProgrammersManual.html>`_, including
23 command line option processing, various containers and a system abstraction
24 layer, which is used for file system access.
25
26 The Clang "Basic" Library
27 =========================
28
29 This library certainly needs a better name.  The "basic" library contains a
30 number of low-level utilities for tracking and manipulating source buffers,
31 locations within the source buffers, diagnostics, tokens, target abstraction,
32 and information about the subset of the language being compiled for.
33
34 Part of this infrastructure is specific to C (such as the ``TargetInfo``
35 class), other parts could be reused for other non-C-based languages
36 (``SourceLocation``, ``SourceManager``, ``Diagnostics``, ``FileManager``).
37 When and if there is future demand we can figure out if it makes sense to
38 introduce a new library, move the general classes somewhere else, or introduce
39 some other solution.
40
41 We describe the roles of these classes in order of their dependencies.
42
43 The Diagnostics Subsystem
44 -------------------------
45
46 The Clang Diagnostics subsystem is an important part of how the compiler
47 communicates with the human.  Diagnostics are the warnings and errors produced
48 when 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
52 arguments to the dianostic (which fill in "%0"'s in the string) as well as a
53 number of source ranges that related to the diagnostic.
54
55 In this section, we'll be giving examples produced by the Clang command line
56 driver, but diagnostics can be :ref:`rendered in many different ways
57 <DiagnosticClient>` depending on how the ``DiagnosticClient`` interface is
58 implemented.  A representative example of a diagnostic is:
59
60 .. code-block:: c++
61
62   t.c:38:15: error: invalid operands to binary expression ('int *' and '_Complex float')
63   P = (P-42) + Gamma*4;
64       ~~~~~~ ^ ~~~~~~~
65
66 In this example, you can see the English translation, the severity (error), you
67 can see the source location (the caret ("``^``") and file/line/column info),
68 the source ranges "``~~~~``", arguments to the diagnostic ("``int*``" and
69 "``_Complex float``").  You'll have to believe me that there is a unique ID
70 backing the diagnostic :).
71
72 Getting all of this to happen has several steps and involves many moving
73 pieces, this section describes them and talks about best practices when adding
74 a new diagnostic.
75
76 The ``Diagnostic*Kinds.td`` files
77 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
78
79 Diagnostics are created by adding an entry to one of the
80 ``clang/Basic/Diagnostic*Kinds.td`` files, depending on what library will be
81 using it.  From this file, :program:`tblgen` generates the unique ID of the
82 diagnostic, the severity of the diagnostic and the English translation + format
83 string.
84
85 There is little sanity with the naming of the unique ID's right now.  Some
86 start with ``err_``, ``warn_``, ``ext_`` to encode the severity into the name.
87 Since the enum is referenced in the C++ code that produces the diagnostic, it
88 is somewhat useful for it to be reasonably short.
89
90 The severity of the diagnostic comes from the set {``NOTE``, ``REMARK``,
91 ``WARNING``,
92 ``EXTENSION``, ``EXTWARN``, ``ERROR``}.  The ``ERROR`` severity is used for
93 diagnostics indicating the program is never acceptable under any circumstances.
94 When an error is emitted, the AST for the input code may not be fully built.
95 The ``EXTENSION`` and ``EXTWARN`` severities are used for extensions to the
96 language that Clang accepts.  This means that Clang fully understands and can
97 represent them in the AST, but we produce diagnostics to tell the user their
98 code is non-portable.  The difference is that the former are ignored by
99 default, and the later warn by default.  The ``WARNING`` severity is used for
100 constructs that are valid in the currently selected source language but that
101 are dubious in some way.  The ``REMARK`` severity provides generic information
102 about 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
105 These *severities* are mapped into a smaller set (the ``Diagnostic::Level``
106 enum, {``Ignored``, ``Note``, ``Remark``, ``Warning``, ``Error``, ``Fatal``}) of
107 output
108 *levels* by the diagnostics subsystem based on various configuration options.
109 Clang internally supports a fully fine grained mapping mechanism that allows
110 you to map almost any diagnostic to the output level that you want.  The only
111 diagnostics that cannot be mapped are ``NOTE``\ s, which always follow the
112 severity of the previously emitted diagnostic and ``ERROR``\ s, which can only
113 be mapped to ``Fatal`` (it is not possible to turn an error into a warning, for
114 example).
115
116 Diagnostic 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
119 options like ``-Wunused_macros``, ``-Wundef`` etc.
120
121 Mapping to ``Fatal`` should only be used for diagnostics that are considered so
122 severe that error recovery won't be able to recover sensibly from them (thus
123 spewing a ton of bogus errors).  One example of this class of error are failure
124 to ``#include`` a file.
125
126 The Format String
127 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
128
129 The format string for the diagnostic is very simple, but it has some power.  It
130 takes the form of a string in English with markers that indicate where and how
131 arguments to the diagnostic are inserted and formatted.  For example, here are
132 some 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
143 These examples show some important points of format strings.  You can use any
144 plain ASCII character in the diagnostic string except "``%``" without a
145 problem, but these are C strings, so you have to use and be aware of all the C
146 escape sequences (as in the second example).  If you want to produce a "``%``"
147 in the output, use the "``%%``" escape sequence, like the third diagnostic.
148 Finally, Clang uses the "``%...[digit]``" sequences to specify where and how
149 arguments to the diagnostic are formatted.
150
151 Arguments to the diagnostic are numbered according to how they are specified by
152 the C++ code that :ref:`produces them <internals-producing-diag>`, and are
153 referenced by ``%0`` .. ``%9``.  If you have more than 10 arguments to your
154 diagnostic, you are doing something wrong :).  Unlike ``printf``, there is no
155 requirement that arguments to the diagnostic end up in the output in the same
156 order as they are specified, you could have a format string with "``%1 %0``"
157 that swaps them, for example.  The text in between the percent and digit are
158 formatting instructions.  If there are no instructions, the argument is just
159 turned into a string and substituted in.
160
161 Here 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
173 Diagnostics should never take random English strings as arguments: you
174 shouldn't use "``you have a problem with %0``" and pass in things like "``your
175 argument``" or "``your return value``" as arguments.  Doing this prevents
176 :ref:`translating <internals-diag-translation>` the Clang diagnostics to other
177 languages (because they'll get random English words in their otherwise
178 localized diagnostic).  The exceptions to this are C/C++ language keywords
179 (e.g., ``auto``, ``const``, ``mutable``, etc) and C/C++ operators (``/=``).
180 Note that things like "pointer" and "reference" are not keywords.  On the other
181 hand, you *can* include anything that comes from the user's source code,
182 including variable names, types, labels, etc.  The "``select``" format can be
183 used to achieve this sort of thing in a localizable way, see below.
184
185 Formatting a Diagnostic Argument
186 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
187
188 Arguments to diagnostics are fully typed internally, and come from a couple
189 different classes: integers, types, names, and random strings.  Depending on
190 the class of the argument, it can be optionally formatted in different ways.
191 This gives the ``DiagnosticClient`` information about what the argument means
192 without requiring it to use a specific presentation (consider this MVC for
193 Clang :).
194
195 Here are the different diagnostic argument formats currently supported by
196 Clang:
197
198 **"s" format**
199
200 Example:
201   ``"requires %1 parameter%s1"``
202 Class:
203   Integers
204 Description:
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
213 Example:
214   ``"must be a %select{unary|binary|unary or binary}2 operator"``
215 Class:
216   Integers
217 Description:
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
231 Example:
232   ``"you have %1 %plural{1:mouse|:mice}1 connected to your computer"``
233 Class:
234   Integers
235 Description:
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
262 Example:
263   ``"ambiguity in %ordinal0 argument"``
264 Class:
265   Integers
266 Description:
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
274 Example:
275   ``"method %objcclass0 not found"``
276 Class:
277   ``DeclarationName``
278 Description:
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
285 Example:
286   ``"method %objcinstance0 not found"``
287 Class:
288   ``DeclarationName``
289 Description:
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
296 Example:
297   ``"candidate found by name lookup is %q0"``
298 Class:
299   ``NamedDecl *``
300 Description:
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
306 Example:
307   ``"no known conversion %diff{from $ to $|from argument type to parameter type}1,2"``
308 Class:
309   ``QualType``
310 Description:
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
317 It is really easy to add format specifiers to the Clang diagnostics system, but
318 they should be discussed before they are added.  If you are creating a lot of
319 repetitive diagnostics and/or have an idea for a useful formatter, please bring
320 it up on the cfe-dev mailing list.
321
322 .. _internals-producing-diag:
323
324 Producing the Diagnostic
325 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
326
327 Now that you've created the diagnostic in the ``Diagnostic*Kinds.td`` file, you
328 need to write the code that detects the condition in question and emits the new
329 diagnostic.  Various components of Clang (e.g., the preprocessor, ``Sema``,
330 etc.) provide a helper function named "``Diag``".  It creates a diagnostic and
331 accepts the arguments, ranges, and other information that goes along with it.
332
333 For example, the binary expression error comes from code like this:
334
335 .. code-block:: c++
336
337   if (various things that are bad)
338     Diag(Loc, diag::err_typecheck_invalid_operands)
339       << lex->getType() << rex->getType()
340       << lex->getSourceRange() << rex->getSourceRange();
341
342 This shows that use of the ``Diag`` method: it takes a location (a
343 :ref:`SourceLocation <SourceLocation>` object) and a diagnostic enum value
344 (which matches the name from ``Diagnostic*Kinds.td``).  If the diagnostic takes
345 arguments, they are specified with the ``<<`` operator: the first argument
346 becomes ``%0``, the second becomes ``%1``, etc.  The diagnostic interface
347 allows you to specify arguments of many different types, including ``int`` and
348 ``unsigned`` for integer arguments, ``const char*`` and ``std::string`` for
349 string arguments, ``DeclarationName`` and ``const IdentifierInfo *`` for names,
350 ``QualType`` for types, etc.  ``SourceRange``\ s are also specified with the
351 ``<<`` operator, but do not have a specific ordering requirement.
352
353 As you can see, adding and producing a diagnostic is pretty straightforward.
354 The hard part is deciding exactly what you need to say to help the user,
355 picking a suitable wording, and providing the information needed to format it
356 correctly.  The good news is that the call site that issues a diagnostic should
357 be completely independent of how the diagnostic is formatted and in what
358 language it is rendered.
359
360 Fix-It Hints
361 ^^^^^^^^^^^^
362
363 In some cases, the front end emits diagnostics when it is clear that some small
364 change to the source code would fix the problem.  For example, a missing
365 semicolon at the end of a statement or a use of deprecated syntax that is
366 easily rewritten into a more modern form.  Clang tries very hard to emit the
367 diagnostic and recover gracefully in these and other cases.
368
369 However, for these cases where the fix is obvious, the diagnostic can be
370 annotated with a hint (referred to as a "fix-it hint") that describes how to
371 change the code referenced by the diagnostic to fix the problem.  For example,
372 it might add the missing semicolon at the end of the statement or rewrite the
373 use of a deprecated construct into something more palatable.  Here is one such
374 example from the C++ front end, where we warn about the right-shift operator
375 changing meaning from C++98 to C++11:
376
377 .. code-block:: c++
378
379   test.cpp:3:7: warning: use of right-shift operator ('>>') in template argument
380                          will require parentheses in C++11
381   A<100 >> 2> *a;
382         ^
383     (       )
384
385 Here, the fix-it hint is suggesting that parentheses be added, and showing
386 exactly where those parentheses would be inserted into the source code.  The
387 fix-it hints themselves describe what changes to make to the source code in an
388 abstract manner, which the text diagnostic printer renders as a line of
389 "insertions" below the caret line.  :ref:`Other diagnostic clients
390 <DiagnosticClient>` might choose to render the code differently (e.g., as
391 markup inline) or even give the user the ability to automatically fix the
392 problem.
393
394 Fix-it hints on errors and warnings need to obey these rules:
395
396 * Since they are automatically applied if ``-Xclang -fixit`` is passed to the
397   driver, they should only be used when it's very likely they match the user's
398   intent.
399 * Clang must recover from errors as if the fix-it had been applied.
400
401 If a fix-it can't obey these rules, put the fix-it on a note.  Fix-its on notes
402 are not applied automatically.
403
404 All fix-it hints are described by the ``FixItHint`` class, instances of which
405 should be attached to the diagnostic using the ``<<`` operator in the same way
406 that highlighted source ranges and arguments are passed to the diagnostic.
407 Fix-it hints can be created with one of three constructors:
408
409 * ``FixItHint::CreateInsertion(Loc, Code)``
410
411     Specifies that the given ``Code`` (a string) should be inserted before the
412     source location ``Loc``.
413
414 * ``FixItHint::CreateRemoval(Range)``
415
416     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed.
417
418 * ``FixItHint::CreateReplacement(Range, Code)``
419
420     Specifies that the code in the given source ``Range`` should be removed,
421     and replaced with the given ``Code`` string.
422
423 .. _DiagnosticClient:
424
425 The ``DiagnosticClient`` Interface
426 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
427
428 Once code generates a diagnostic with all of the arguments and the rest of the
429 relevant information, Clang needs to know what to do with it.  As previously
430 mentioned, the diagnostic machinery goes through some filtering to map a
431 severity onto a diagnostic level, then (assuming the diagnostic is not mapped
432 to "``Ignore``") it invokes an object that implements the ``DiagnosticClient``
433 interface with the information.
434
435 It is possible to implement this interface in many different ways.  For
436 example, the normal Clang ``DiagnosticClient`` (named
437 ``TextDiagnosticPrinter``) turns the arguments into strings (according to the
438 various formatting rules), prints out the file/line/column information and the
439 string, then prints out the line of code, the source ranges, and the caret.
440 However, this behavior isn't required.
441
442 Another implementation of the ``DiagnosticClient`` interface is the
443 ``TextDiagnosticBuffer`` class, which is used when Clang is in ``-verify``
444 mode.  Instead of formatting and printing out the diagnostics, this
445 implementation just captures and remembers the diagnostics as they fly by.
446 Then ``-verify`` compares the list of produced diagnostics to the list of
447 expected ones.  If they disagree, it prints out its own output.  Full
448 documentation for the ``-verify`` mode can be found in the Clang API
449 documentation for `VerifyDiagnosticConsumer
450 </doxygen/classclang_1_1VerifyDiagnosticConsumer.html#details>`_.
451
452 There are many other possible implementations of this interface, and this is
453 why we prefer diagnostics to pass down rich structured information in
454 arguments.  For example, an HTML output might want declaration names be
455 linkified to where they come from in the source.  Another example is that a GUI
456 might let you click on typedefs to expand them.  This application would want to
457 pass significantly more information about types through to the GUI than a
458 simple flat string.  The interface allows this to happen.
459
460 .. _internals-diag-translation:
461
462 Adding Translations to Clang
463 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
464
465 Not possible yet! Diagnostic strings should be written in UTF-8, the client can
466 translate to the relevant code page if needed.  Each translation completely
467 replaces the format string for the diagnostic.
468
469 .. _SourceLocation:
470 .. _SourceManager:
471
472 The ``SourceLocation`` and ``SourceManager`` classes
473 ----------------------------------------------------
474
475 Strangely enough, the ``SourceLocation`` class represents a location within the
476 source code of the program.  Important design points include:
477
478 #. ``sizeof(SourceLocation)`` must be extremely small, as these are embedded
479    into many AST nodes and are passed around often.  Currently it is 32 bits.
480 #. ``SourceLocation`` must be a simple value object that can be efficiently
481    copied.
482 #. We should be able to represent a source location for any byte of any input
483    file.  This includes in the middle of tokens, in whitespace, in trigraphs,
484    etc.
485 #. A ``SourceLocation`` must encode the current ``#include`` stack that was
486    active when the location was processed.  For example, if the location
487    corresponds to a token, it should contain the set of ``#include``\ s active
488    when the token was lexed.  This allows us to print the ``#include`` stack
489    for a diagnostic.
490 #. ``SourceLocation`` must be able to describe macro expansions, capturing both
491    the ultimate instantiation point and the source of the original character
492    data.
493
494 In practice, the ``SourceLocation`` works together with the ``SourceManager``
495 class to encode two pieces of information about a location: its spelling
496 location and its instantiation location.  For most tokens, these will be the
497 same.  However, for a macro expansion (or tokens that came from a ``_Pragma``
498 directive) these will describe the location of the characters corresponding to
499 the token and the location where the token was used (i.e., the macro
500 instantiation point or the location of the ``_Pragma`` itself).
501
502 The Clang front-end inherently depends on the location of a token being tracked
503 correctly.  If it is ever incorrect, the front-end may get confused and die.
504 The reason for this is that the notion of the "spelling" of a ``Token`` in
505 Clang depends on being able to find the original input characters for the
506 token.  This concept maps directly to the "spelling location" for the token.
507
508 ``SourceRange`` and ``CharSourceRange``
509 ---------------------------------------
510
511 .. mostly taken from http://lists.cs.uiuc.edu/pipermail/cfe-dev/2010-August/010595.html
512
513 Clang represents most source ranges by [first, last], where "first" and "last"
514 each point to the beginning of their respective tokens.  For example consider
515 the ``SourceRange`` of the following statement:
516
517 .. code-block:: c++
518
519   x = foo + bar;
520   ^first    ^last
521
522 To map from this representation to a character-based representation, the "last"
523 location needs to be adjusted to point to (or past) the end of that token with
524 either ``Lexer::MeasureTokenLength()`` or ``Lexer::getLocForEndOfToken()``.  For
525 the rare cases where character-level source ranges information is needed we use
526 the ``CharSourceRange`` class.
527
528 The Driver Library
529 ==================
530
531 The clang Driver and library are documented :doc:`here <DriverInternals>`.
532
533 Precompiled Headers
534 ===================
535
536 Clang supports two implementations of precompiled headers.  The default
537 implementation, precompiled headers (:doc:`PCH <PCHInternals>`) uses a
538 serialized representation of Clang's internal data structures, encoded with the
539 `LLVM bitstream format <http://llvm.org/docs/BitCodeFormat.html>`_.
540 Pretokenized headers (:doc:`PTH <PTHInternals>`), on the other hand, contain a
541 serialized representation of the tokens encountered when preprocessing a header
542 (and anything that header includes).
543
544 The Frontend Library
545 ====================
546
547 The Frontend library contains functionality useful for building tools on top of
548 the Clang libraries, for example several methods for outputting diagnostics.
549
550 The Lexer and Preprocessor Library
551 ==================================
552
553 The Lexer library contains several tightly-connected classes that are involved
554 with the nasty process of lexing and preprocessing C source code.  The main
555 interface to this library for outside clients is the large ``Preprocessor``
556 class.  It contains the various pieces of state that are required to coherently
557 read tokens out of a translation unit.
558
559 The core interface to the ``Preprocessor`` object (once it is set up) is the
560 ``Preprocessor::Lex`` method, which returns the next :ref:`Token <Token>` from
561 the preprocessor stream.  There are two types of token providers that the
562 preprocessor is capable of reading from: a buffer lexer (provided by the
563 :ref:`Lexer <Lexer>` class) and a buffered token stream (provided by the
564 :ref:`TokenLexer <TokenLexer>` class).
565
566 .. _Token:
567
568 The Token class
569 ---------------
570
571 The ``Token`` class is used to represent a single lexed token.  Tokens are
572 intended to be used by the lexer/preprocess and parser libraries, but are not
573 intended to live beyond them (for example, they should not live in the ASTs).
574
575 Tokens most often live on the stack (or some other location that is efficient
576 to access) as the parser is running, but occasionally do get buffered up.  For
577 example, macro definitions are stored as a series of tokens, and the C++
578 front-end periodically needs to buffer tokens up for tentative parsing and
579 various pieces of look-ahead.  As such, the size of a ``Token`` matters.  On a
580 32-bit system, ``sizeof(Token)`` is currently 16 bytes.
581
582 Tokens occur in two forms: :ref:`annotation tokens <AnnotationToken>` and
583 normal tokens.  Normal tokens are those returned by the lexer, annotation
584 tokens represent semantic information and are produced by the parser, replacing
585 normal tokens in the token stream.  Normal tokens contain the following
586 information:
587
588 * **A SourceLocation** --- This indicates the location of the start of the
589   token.
590
591 * **A length** --- This stores the length of the token as stored in the
592   ``SourceBuffer``.  For tokens that include them, this length includes
593   trigraphs and escaped newlines which are ignored by later phases of the
594   compiler.  By pointing into the original source buffer, it is always possible
595   to get the original spelling of a token completely accurately.
596
597 * **IdentifierInfo** --- If a token takes the form of an identifier, and if
598   identifier lookup was enabled when the token was lexed (e.g., the lexer was
599   not reading in "raw" mode) this contains a pointer to the unique hash value
600   for the identifier.  Because the lookup happens before keyword
601   identification, this field is set even for language keywords like "``for``".
602
603 * **TokenKind** --- This indicates the kind of token as classified by the
604   lexer.  This includes things like ``tok::starequal`` (for the "``*=``"
605   operator), ``tok::ampamp`` for the "``&&``" token, and keyword values (e.g.,
606   ``tok::kw_for``) for identifiers that correspond to keywords.  Note that
607   some tokens can be spelled multiple ways.  For example, C++ supports
608   "operator keywords", where things like "``and``" are treated exactly like the
609   "``&&``" operator.  In these cases, the kind value is set to ``tok::ampamp``,
610   which is good for the parser, which doesn't have to consider both forms.  For
611   something that cares about which form is used (e.g., the preprocessor
612   "stringize" operator) the spelling indicates the original form.
613
614 * **Flags** --- There are currently four flags tracked by the
615   lexer/preprocessor system on a per-token basis:
616
617   #. **StartOfLine** --- This was the first token that occurred on its input
618      source line.
619   #. **LeadingSpace** --- There was a space character either immediately before
620      the token or transitively before the token as it was expanded through a
621      macro.  The definition of this flag is very closely defined by the
622      stringizing requirements of the preprocessor.
623   #. **DisableExpand** --- This flag is used internally to the preprocessor to
624      represent identifier tokens which have macro expansion disabled.  This
625      prevents them from being considered as candidates for macro expansion ever
626      in the future.
627   #. **NeedsCleaning** --- This flag is set if the original spelling for the
628      token includes a trigraph or escaped newline.  Since this is uncommon,
629      many pieces of code can fast-path on tokens that did not need cleaning.
630
631 One interesting (and somewhat unusual) aspect of normal tokens is that they
632 don't contain any semantic information about the lexed value.  For example, if
633 the token was a pp-number token, we do not represent the value of the number
634 that was lexed (this is left for later pieces of code to decide).
635 Additionally, the lexer library has no notion of typedef names vs variable
636 names: both are returned as identifiers, and the parser is left to decide
637 whether a specific identifier is a typedef or a variable (tracking this
638 requires scope information among other things).  The parser can do this
639 translation by replacing tokens returned by the preprocessor with "Annotation
640 Tokens".
641
642 .. _AnnotationToken:
643
644 Annotation Tokens
645 -----------------
646
647 Annotation tokens are tokens that are synthesized by the parser and injected
648 into the preprocessor's token stream (replacing existing tokens) to record
649 semantic information found by the parser.  For example, if "``foo``" is found
650 to be a typedef, the "``foo``" ``tok::identifier`` token is replaced with an
651 ``tok::annot_typename``.  This is useful for a couple of reasons: 1) this makes
652 it easy to handle qualified type names (e.g., "``foo::bar::baz<42>::t``") in
653 C++ as a single "token" in the parser.  2) if the parser backtracks, the
654 reparse does not need to redo semantic analysis to determine whether a token
655 sequence is a variable, type, template, etc.
656
657 Annotation tokens are created by the parser and reinjected into the parser's
658 token stream (when backtracking is enabled).  Because they can only exist in
659 tokens that the preprocessor-proper is done with, it doesn't need to keep
660 around flags like "start of line" that the preprocessor uses to do its job.
661 Additionally, an annotation token may "cover" a sequence of preprocessor tokens
662 (e.g., "``a::b::c``" is five preprocessor tokens).  As such, the valid fields
663 of an annotation token are different than the fields for a normal token (but
664 they are multiplexed into the normal ``Token`` fields):
665
666 * **SourceLocation "Location"** --- The ``SourceLocation`` for the annotation
667   token indicates the first token replaced by the annotation token.  In the
668   example above, it would be the location of the "``a``" identifier.
669 * **SourceLocation "AnnotationEndLoc"** --- This holds the location of the last
670   token replaced with the annotation token.  In the example above, it would be
671   the location of the "``c``" identifier.
672 * **void* "AnnotationValue"** --- This contains an opaque object that the
673   parser gets from ``Sema``.  The parser merely preserves the information for
674   ``Sema`` to later interpret based on the annotation token kind.
675 * **TokenKind "Kind"** --- This indicates the kind of Annotation token this is.
676   See below for the different valid kinds.
677
678 Annotation tokens currently come in three kinds:
679
680 #. **tok::annot_typename**: This annotation token represents a resolved
681    typename token that is potentially qualified.  The ``AnnotationValue`` field
682    contains the ``QualType`` returned by ``Sema::getTypeName()``, possibly with
683    source location information attached.
684 #. **tok::annot_cxxscope**: This annotation token represents a C++ scope
685    specifier, such as "``A::B::``".  This corresponds to the grammar
686    productions "*::*" and "*:: [opt] nested-name-specifier*".  The
687    ``AnnotationValue`` pointer is a ``NestedNameSpecifier *`` returned by the
688    ``Sema::ActOnCXXGlobalScopeSpecifier`` and
689    ``Sema::ActOnCXXNestedNameSpecifier`` callbacks.
690 #. **tok::annot_template_id**: This annotation token represents a C++
691    template-id such as "``foo<int, 4>``", where "``foo``" is the name of a
692    template.  The ``AnnotationValue`` pointer is a pointer to a ``malloc``'d
693    ``TemplateIdAnnotation`` object.  Depending on the context, a parsed
694    template-id that names a type might become a typename annotation token (if
695    all we care about is the named type, e.g., because it occurs in a type
696    specifier) or might remain a template-id token (if we want to retain more
697    source location information or produce a new type, e.g., in a declaration of
698    a class template specialization).  template-id annotation tokens that refer
699    to a type can be "upgraded" to typename annotation tokens by the parser.
700
701 As mentioned above, annotation tokens are not returned by the preprocessor,
702 they are formed on demand by the parser.  This means that the parser has to be
703 aware of cases where an annotation could occur and form it where appropriate.
704 This is somewhat similar to how the parser handles Translation Phase 6 of C99:
705 String Concatenation (see C99 5.1.1.2).  In the case of string concatenation,
706 the preprocessor just returns distinct ``tok::string_literal`` and
707 ``tok::wide_string_literal`` tokens and the parser eats a sequence of them
708 wherever the grammar indicates that a string literal can occur.
709
710 In order to do this, whenever the parser expects a ``tok::identifier`` or
711 ``tok::coloncolon``, it should call the ``TryAnnotateTypeOrScopeToken`` or
712 ``TryAnnotateCXXScopeToken`` methods to form the annotation token.  These
713 methods will maximally form the specified annotation tokens and replace the
714 current token with them, if applicable.  If the current tokens is not valid for
715 an annotation token, it will remain an identifier or "``::``" token.
716
717 .. _Lexer:
718
719 The ``Lexer`` class
720 -------------------
721
722 The ``Lexer`` class provides the mechanics of lexing tokens out of a source
723 buffer and deciding what they mean.  The ``Lexer`` is complicated by the fact
724 that it operates on raw buffers that have not had spelling eliminated (this is
725 a necessity to get decent performance), but this is countered with careful
726 coding as well as standard performance techniques (for example, the comment
727 handling code is vectorized on X86 and PowerPC hosts).
728
729 The lexer has a couple of interesting modal features:
730
731 * The lexer can operate in "raw" mode.  This mode has several features that
732   make it possible to quickly lex the file (e.g., it stops identifier lookup,
733   doesn't specially handle preprocessor tokens, handles EOF differently, etc).
734   This mode is used for lexing within an "``#if 0``" block, for example.
735 * The lexer can capture and return comments as tokens.  This is required to
736   support the ``-C`` preprocessor mode, which passes comments through, and is
737   used by the diagnostic checker to identifier expect-error annotations.
738 * The lexer can be in ``ParsingFilename`` mode, which happens when
739   preprocessing after reading a ``#include`` directive.  This mode changes the
740   parsing of "``<``" to return an "angled string" instead of a bunch of tokens
741   for each thing within the filename.
742 * When parsing a preprocessor directive (after "``#``") the
743   ``ParsingPreprocessorDirective`` mode is entered.  This changes the parser to
744   return EOD at a newline.
745 * The ``Lexer`` uses a ``LangOptions`` object to know whether trigraphs are
746   enabled, whether C++ or ObjC keywords are recognized, etc.
747
748 In addition to these modes, the lexer keeps track of a couple of other features
749 that are local to a lexed buffer, which change as the buffer is lexed:
750
751 * The ``Lexer`` uses ``BufferPtr`` to keep track of the current character being
752   lexed.
753 * The ``Lexer`` uses ``IsAtStartOfLine`` to keep track of whether the next
754   lexed token will start with its "start of line" bit set.
755 * The ``Lexer`` keeps track of the current "``#if``" directives that are active
756   (which can be nested).
757 * The ``Lexer`` keeps track of an :ref:`MultipleIncludeOpt
758   <MultipleIncludeOpt>` object, which is used to detect whether the buffer uses
759   the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``" idiom to prevent multiple
760   inclusion.  If a buffer does, subsequent includes can be ignored if the
761   "``XX``" macro is defined.
762
763 .. _TokenLexer:
764
765 The ``TokenLexer`` class
766 ------------------------
767
768 The ``TokenLexer`` class is a token provider that returns tokens from a list of
769 tokens that came from somewhere else.  It typically used for two things: 1)
770 returning tokens from a macro definition as it is being expanded 2) returning
771 tokens from an arbitrary buffer of tokens.  The later use is used by
772 ``_Pragma`` and will most likely be used to handle unbounded look-ahead for the
773 C++ parser.
774
775 .. _MultipleIncludeOpt:
776
777 The ``MultipleIncludeOpt`` class
778 --------------------------------
779
780 The ``MultipleIncludeOpt`` class implements a really simple little state
781 machine that is used to detect the standard "``#ifndef XX`` / ``#define XX``"
782 idiom that people typically use to prevent multiple inclusion of headers.  If a
783 buffer uses this idiom and is subsequently ``#include``'d, the preprocessor can
784 simply check to see whether the guarding condition is defined or not.  If so,
785 the preprocessor can completely ignore the include of the header.
786
787 .. _Parser:
788
789 The Parser Library
790 ==================
791
792 This library contains a recursive-descent parser that polls tokens from the
793 preprocessor and notifies a client of the parsing progress.
794
795 Historically, the parser used to talk to an abstract ``Action`` interface that
796 had virtual methods for parse events, for example ``ActOnBinOp()``.  When Clang
797 grew C++ support, the parser stopped supporting general ``Action`` clients --
798 it now always talks to the :ref:`Sema libray <Sema>`.  However, the Parser
799 still accesses AST objects only through opaque types like ``ExprResult`` and
800 ``StmtResult``.  Only :ref:`Sema <Sema>` looks at the AST node contents of these
801 wrappers.
802
803 .. _AST:
804
805 The AST Library
806 ===============
807
808 .. _Type:
809
810 The ``Type`` class and its subclasses
811 -------------------------------------
812
813 The ``Type`` class (and its subclasses) are an important part of the AST.
814 Types are accessed through the ``ASTContext`` class, which implicitly creates
815 and uniques them as they are needed.  Types have a couple of non-obvious
816 features: 1) they do not capture type qualifiers like ``const`` or ``volatile``
817 (see :ref:`QualType <QualType>`), and 2) they implicitly capture typedef
818 information.  Once created, types are immutable (unlike decls).
819
820 Typedefs in C make semantic analysis a bit more complex than it would be without
821 them.  The issue is that we want to capture typedef information and represent it
822 in the AST perfectly, but the semantics of operations need to "see through"
823 typedefs.  For example, consider this code:
824
825 .. code-block:: c++
826
827   void func() {
828     typedef int foo;
829     foo X, *Y;
830     typedef foo *bar;
831     bar Z;
832     *X; // error
833     **Y; // error
834     **Z; // error
835   }
836
837 The code above is illegal, and thus we expect there to be diagnostics emitted
838 on the annotated lines.  In this example, we expect to get:
839
840 .. code-block:: c++
841
842   test.c:6:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
843     *X; // error
844     ^~
845   test.c:7:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
846     **Y; // error
847     ^~~
848   test.c:8:1: error: indirection requires pointer operand ('foo' invalid)
849     **Z; // error
850     ^~~
851
852 While this example is somewhat silly, it illustrates the point: we want to
853 retain typedef information where possible, so that we can emit errors about
854 "``std::string``" instead of "``std::basic_string<char, std:...``".  Doing this
855 requires properly keeping typedef information (for example, the type of ``X``
856 is "``foo``", not "``int``"), and requires properly propagating it through the
857 various operators (for example, the type of ``*Y`` is "``foo``", not
858 "``int``").  In order to retain this information, the type of these expressions
859 is an instance of the ``TypedefType`` class, which indicates that the type of
860 these expressions is a typedef for "``foo``".
861
862 Representing types like this is great for diagnostics, because the
863 user-specified type is always immediately available.  There are two problems
864 with this: first, various semantic checks need to make judgements about the
865 *actual structure* of a type, ignoring typedefs.  Second, we need an efficient
866 way to query whether two types are structurally identical to each other,
867 ignoring typedefs.  The solution to both of these problems is the idea of
868 canonical types.
869
870 Canonical Types
871 ^^^^^^^^^^^^^^^
872
873 Every instance of the ``Type`` class contains a canonical type pointer.  For
874 simple types with no typedefs involved (e.g., "``int``", "``int*``",
875 "``int**``"), the type just points to itself.  For types that have a typedef
876 somewhere in their structure (e.g., "``foo``", "``foo*``", "``foo**``",
877 "``bar``"), the canonical type pointer points to their structurally equivalent
878 type without any typedefs (e.g., "``int``", "``int*``", "``int**``", and
879 "``int*``" respectively).
880
881 This design provides a constant time operation (dereferencing the canonical type
882 pointer) that gives us access to the structure of types.  For example, we can
883 trivially tell that "``bar``" and "``foo*``" are the same type by dereferencing
884 their canonical type pointers and doing a pointer comparison (they both point
885 to the single "``int*``" type).
886
887 Canonical types and typedef types bring up some complexities that must be
888 carefully managed.  Specifically, the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operators
889 generally shouldn't be used in code that is inspecting the AST.  For example,
890 when type checking the indirection operator (unary "``*``" on a pointer), the
891 type checker must verify that the operand has a pointer type.  It would not be
892 correct to check that with "``isa<PointerType>(SubExpr->getType())``", because
893 this predicate would fail if the subexpression had a typedef type.
894
895 The solution to this problem are a set of helper methods on ``Type``, used to
896 check their properties.  In this case, it would be correct to use
897 "``SubExpr->getType()->isPointerType()``" to do the check.  This predicate will
898 return true if the *canonical type is a pointer*, which is true any time the
899 type is structurally a pointer type.  The only hard part here is remembering
900 not to use the ``isa``/``cast``/``dyn_cast`` operations.
901
902 The second problem we face is how to get access to the pointer type once we
903 know it exists.  To continue the example, the result type of the indirection
904 operator is the pointee type of the subexpression.  In order to determine the
905 type, we need to get the instance of ``PointerType`` that best captures the
906 typedef information in the program.  If the type of the expression is literally
907 a ``PointerType``, we can return that, otherwise we have to dig through the
908 typedefs to find the pointer type.  For example, if the subexpression had type
909 "``foo*``", we could return that type as the result.  If the subexpression had
910 type "``bar``", we want to return "``foo*``" (note that we do *not* want
911 "``int*``").  In order to provide all of this, ``Type`` has a
912 ``getAsPointerType()`` method that checks whether the type is structurally a
913 ``PointerType`` and, if so, returns the best one.  If not, it returns a null
914 pointer.
915
916 This structure is somewhat mystical, but after meditating on it, it will make
917 sense to you :).
918
919 .. _QualType:
920
921 The ``QualType`` class
922 ----------------------
923
924 The ``QualType`` class is designed as a trivial value class that is small,
925 passed by-value and is efficient to query.  The idea of ``QualType`` is that it
926 stores the type qualifiers (``const``, ``volatile``, ``restrict``, plus some
927 extended qualifiers required by language extensions) separately from the types
928 themselves.  ``QualType`` is conceptually a pair of "``Type*``" and the bits
929 for these type qualifiers.
930
931 By storing the type qualifiers as bits in the conceptual pair, it is extremely
932 efficient to get the set of qualifiers on a ``QualType`` (just return the field
933 of the pair), add a type qualifier (which is a trivial constant-time operation
934 that sets a bit), and remove one or more type qualifiers (just return a
935 ``QualType`` with the bitfield set to empty).
936
937 Further, because the bits are stored outside of the type itself, we do not need
938 to create duplicates of types with different sets of qualifiers (i.e. there is
939 only a single heap allocated "``int``" type: "``const int``" and "``volatile
940 const int``" both point to the same heap allocated "``int``" type).  This
941 reduces the heap size used to represent bits and also means we do not have to
942 consider qualifiers when uniquing types (:ref:`Type <Type>` does not even
943 contain qualifiers).
944
945 In practice, the two most common type qualifiers (``const`` and ``restrict``)
946 are stored in the low bits of the pointer to the ``Type`` object, together with
947 a flag indicating whether extended qualifiers are present (which must be
948 heap-allocated).  This means that ``QualType`` is exactly the same size as a
949 pointer.
950
951 .. _DeclarationName:
952
953 Declaration names
954 -----------------
955
956 The ``DeclarationName`` class represents the name of a declaration in Clang.
957 Declarations in the C family of languages can take several different forms.
958 Most declarations are named by simple identifiers, e.g., "``f``" and "``x``" in
959 the function declaration ``f(int x)``.  In C++, declaration names can also name
960 class constructors ("``Class``" in ``struct Class { Class(); }``), class
961 destructors ("``~Class``"), overloaded operator names ("``operator+``"), and
962 conversion functions ("``operator void const *``").  In Objective-C,
963 declaration names can refer to the names of Objective-C methods, which involve
964 the method name and the parameters, collectively called a *selector*, e.g.,
965 "``setWidth:height:``".  Since all of these kinds of entities --- variables,
966 functions, Objective-C methods, C++ constructors, destructors, and operators
967 --- are represented as subclasses of Clang's common ``NamedDecl`` class,
968 ``DeclarationName`` is designed to efficiently represent any kind of name.
969
970 Given a ``DeclarationName`` ``N``, ``N.getNameKind()`` will produce a value
971 that describes what kind of name ``N`` stores.  There are 10 options (all of
972 the names are inside the ``DeclarationName`` class).
973
974 ``Identifier``
975
976   The name is a simple identifier.  Use ``N.getAsIdentifierInfo()`` to retrieve
977   the corresponding ``IdentifierInfo*`` pointing to the actual identifier.
978
979 ``ObjCZeroArgSelector``, ``ObjCOneArgSelector``, ``ObjCMultiArgSelector``
980
981   The name is an Objective-C selector, which can be retrieved as a ``Selector``
982   instance via ``N.getObjCSelector()``.  The three possible name kinds for
983   Objective-C reflect an optimization within the ``DeclarationName`` class:
984   both zero- and one-argument selectors are stored as a masked
985   ``IdentifierInfo`` pointer, and therefore require very little space, since
986   zero- and one-argument selectors are far more common than multi-argument
987   selectors (which use a different structure).
988
989 ``CXXConstructorName``
990
991   The name is a C++ constructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
992   the :ref:`type <QualType>` that this constructor is meant to construct.  The
993   type is always the canonical type, since all constructors for a given type
994   have the same name.
995
996 ``CXXDestructorName``
997
998   The name is a C++ destructor name.  Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve
999   the :ref:`type <QualType>` whose destructor is being named.  This type is
1000   always a canonical type.
1001
1002 ``CXXConversionFunctionName``
1003
1004   The name is a C++ conversion function.  Conversion functions are named
1005   according to the type they convert to, e.g., "``operator void const *``".
1006   Use ``N.getCXXNameType()`` to retrieve the type that this conversion function
1007   converts to.  This type is always a canonical type.
1008
1009 ``CXXOperatorName``
1010
1011   The name is a C++ overloaded operator name.  Overloaded operators are named
1012   according to their spelling, e.g., "``operator+``" or "``operator new []``".
1013   Use ``N.getCXXOverloadedOperator()`` to retrieve the overloaded operator (a
1014   value of type ``OverloadedOperatorKind``).
1015
1016 ``CXXLiteralOperatorName``
1017
1018   The name is a C++11 user defined literal operator.  User defined
1019   Literal operators are named according to the suffix they define,
1020   e.g., "``_foo``" for "``operator "" _foo``".  Use
1021   ``N.getCXXLiteralIdentifier()`` to retrieve the corresponding
1022   ``IdentifierInfo*`` pointing to the identifier.
1023
1024 ``CXXUsingDirective``
1025
1026   The name is a C++ using directive.  Using directives are not really
1027   NamedDecls, in that they all have the same name, but they are
1028   implemented as such in order to store them in DeclContext
1029   effectively.
1030
1031 ``DeclarationName``\ s are cheap to create, copy, and compare.  They require
1032 only a single pointer's worth of storage in the common cases (identifiers,
1033 zero- and one-argument Objective-C selectors) and use dense, uniqued storage
1034 for the other kinds of names.  Two ``DeclarationName``\ s can be compared for
1035 equality (``==``, ``!=``) using a simple bitwise comparison, can be ordered
1036 with ``<``, ``>``, ``<=``, and ``>=`` (which provide a lexicographical ordering
1037 for normal identifiers but an unspecified ordering for other kinds of names),
1038 and can be placed into LLVM ``DenseMap``\ s and ``DenseSet``\ s.
1039
1040 ``DeclarationName`` instances can be created in different ways depending on
1041 what kind of name the instance will store.  Normal identifiers
1042 (``IdentifierInfo`` pointers) and Objective-C selectors (``Selector``) can be
1043 implicitly converted to ``DeclarationNames``.  Names for C++ constructors,
1044 destructors, conversion functions, and overloaded operators can be retrieved
1045 from the ``DeclarationNameTable``, an instance of which is available as
1046 ``ASTContext::DeclarationNames``.  The member functions
1047 ``getCXXConstructorName``, ``getCXXDestructorName``,
1048 ``getCXXConversionFunctionName``, and ``getCXXOperatorName``, respectively,
1049 return ``DeclarationName`` instances for the four kinds of C++ special function
1050 names.
1051
1052 .. _DeclContext:
1053
1054 Declaration contexts
1055 --------------------
1056
1057 Every declaration in a program exists within some *declaration context*, such
1058 as a translation unit, namespace, class, or function.  Declaration contexts in
1059 Clang are represented by the ``DeclContext`` class, from which the various
1060 declaration-context AST nodes (``TranslationUnitDecl``, ``NamespaceDecl``,
1061 ``RecordDecl``, ``FunctionDecl``, etc.) will derive.  The ``DeclContext`` class
1062 provides several facilities common to each declaration context:
1063
1064 Source-centric vs. Semantics-centric View of Declarations
1065
1066   ``DeclContext`` provides two views of the declarations stored within a
1067   declaration context.  The source-centric view accurately represents the
1068   program source code as written, including multiple declarations of entities
1069   where present (see the section :ref:`Redeclarations and Overloads
1070   <Redeclarations>`), while the semantics-centric view represents the program
1071   semantics.  The two views are kept synchronized by semantic analysis while
1072   the ASTs are being constructed.
1073
1074 Storage of declarations within that context
1075
1076   Every declaration context can contain some number of declarations.  For
1077   example, a C++ class (represented by ``RecordDecl``) contains various member
1078   functions, fields, nested types, and so on.  All of these declarations will
1079   be stored within the ``DeclContext``, and one can iterate over the
1080   declarations via [``DeclContext::decls_begin()``,
1081   ``DeclContext::decls_end()``).  This mechanism provides the source-centric
1082   view of declarations in the context.
1083
1084 Lookup of declarations within that context
1085
1086   The ``DeclContext`` structure provides efficient name lookup for names within
1087   that declaration context.  For example, if ``N`` is a namespace we can look
1088   for the name ``N::f`` using ``DeclContext::lookup``.  The lookup itself is
1089   based on a lazily-constructed array (for declaration contexts with a small
1090   number of declarations) or hash table (for declaration contexts with more
1091   declarations).  The lookup operation provides the semantics-centric view of
1092   the declarations in the context.
1093
1094 Ownership of declarations
1095
1096   The ``DeclContext`` owns all of the declarations that were declared within
1097   its declaration context, and is responsible for the management of their
1098   memory as well as their (de-)serialization.
1099
1100 All declarations are stored within a declaration context, and one can query
1101 information about the context in which each declaration lives.  One can
1102 retrieve the ``DeclContext`` that contains a particular ``Decl`` using
1103 ``Decl::getDeclContext``.  However, see the section
1104 :ref:`LexicalAndSemanticContexts` for more information about how to interpret
1105 this context information.
1106
1107 .. _Redeclarations:
1108
1109 Redeclarations and Overloads
1110 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1111
1112 Within a translation unit, it is common for an entity to be declared several
1113 times.  For example, we might declare a function "``f``" and then later
1114 re-declare it as part of an inlined definition:
1115
1116 .. code-block:: c++
1117
1118   void f(int x, int y, int z = 1);
1119
1120   inline void f(int x, int y, int z) { /* ...  */ }
1121
1122 The representation of "``f``" differs in the source-centric and
1123 semantics-centric views of a declaration context.  In the source-centric view,
1124 all redeclarations will be present, in the order they occurred in the source
1125 code, making this view suitable for clients that wish to see the structure of
1126 the source code.  In the semantics-centric view, only the most recent "``f``"
1127 will be found by the lookup, since it effectively replaces the first
1128 declaration of "``f``".
1129
1130 In the semantics-centric view, overloading of functions is represented
1131 explicitly.  For example, given two declarations of a function "``g``" that are
1132 overloaded, e.g.,
1133
1134 .. code-block:: c++
1135
1136   void g();
1137   void g(int);
1138
1139 the ``DeclContext::lookup`` operation will return a
1140 ``DeclContext::lookup_result`` that contains a range of iterators over
1141 declarations of "``g``".  Clients that perform semantic analysis on a program
1142 that is not concerned with the actual source code will primarily use this
1143 semantics-centric view.
1144
1145 .. _LexicalAndSemanticContexts:
1146
1147 Lexical and Semantic Contexts
1148 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1149
1150 Each declaration has two potentially different declaration contexts: a
1151 *lexical* context, which corresponds to the source-centric view of the
1152 declaration context, and a *semantic* context, which corresponds to the
1153 semantics-centric view.  The lexical context is accessible via
1154 ``Decl::getLexicalDeclContext`` while the semantic context is accessible via
1155 ``Decl::getDeclContext``, both of which return ``DeclContext`` pointers.  For
1156 most declarations, the two contexts are identical.  For example:
1157
1158 .. code-block:: c++
1159
1160   class X {
1161   public:
1162     void f(int x);
1163   };
1164
1165 Here, the semantic and lexical contexts of ``X::f`` are the ``DeclContext``
1166 associated with the class ``X`` (itself stored as a ``RecordDecl`` AST node).
1167 However, we can now define ``X::f`` out-of-line:
1168
1169 .. code-block:: c++
1170
1171   void X::f(int x = 17) { /* ...  */ }
1172
1173 This definition of "``f``" has different lexical and semantic contexts.  The
1174 lexical context corresponds to the declaration context in which the actual
1175 declaration occurred in the source code, e.g., the translation unit containing
1176 ``X``.  Thus, this declaration of ``X::f`` can be found by traversing the
1177 declarations provided by [``decls_begin()``, ``decls_end()``) in the
1178 translation unit.
1179
1180 The semantic context of ``X::f`` corresponds to the class ``X``, since this
1181 member function is (semantically) a member of ``X``.  Lookup of the name ``f``
1182 into the ``DeclContext`` associated with ``X`` will then return the definition
1183 of ``X::f`` (including information about the default argument).
1184
1185 Transparent Declaration Contexts
1186 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1187
1188 In C and C++, there are several contexts in which names that are logically
1189 declared inside another declaration will actually "leak" out into the enclosing
1190 scope from the perspective of name lookup.  The most obvious instance of this
1191 behavior is in enumeration types, e.g.,
1192
1193 .. code-block:: c++
1194
1195   enum Color {
1196     Red,
1197     Green,
1198     Blue
1199   };
1200
1201 Here, ``Color`` is an enumeration, which is a declaration context that contains
1202 the enumerators ``Red``, ``Green``, and ``Blue``.  Thus, traversing the list of
1203 declarations contained in the enumeration ``Color`` will yield ``Red``,
1204 ``Green``, and ``Blue``.  However, outside of the scope of ``Color`` one can
1205 name the enumerator ``Red`` without qualifying the name, e.g.,
1206
1207 .. code-block:: c++
1208
1209   Color c = Red;
1210
1211 There are other entities in C++ that provide similar behavior.  For example,
1212 linkage specifications that use curly braces:
1213
1214 .. code-block:: c++
1215
1216   extern "C" {
1217     void f(int);
1218     void g(int);
1219   }
1220   // f and g are visible here
1221
1222 For source-level accuracy, we treat the linkage specification and enumeration
1223 type as a declaration context in which its enclosed declarations ("``Red``",
1224 "``Green``", and "``Blue``"; "``f``" and "``g``") are declared.  However, these
1225 declarations are visible outside of the scope of the declaration context.
1226
1227 These language features (and several others, described below) have roughly the
1228 same set of requirements: declarations are declared within a particular lexical
1229 context, but the declarations are also found via name lookup in scopes
1230 enclosing the declaration itself.  This feature is implemented via
1231 *transparent* declaration contexts (see
1232 ``DeclContext::isTransparentContext()``), whose declarations are visible in the
1233 nearest enclosing non-transparent declaration context.  This means that the
1234 lexical context of the declaration (e.g., an enumerator) will be the
1235 transparent ``DeclContext`` itself, as will the semantic context, but the
1236 declaration will be visible in every outer context up to and including the
1237 first non-transparent declaration context (since transparent declaration
1238 contexts can be nested).
1239
1240 The transparent ``DeclContext``\ s are:
1241
1242 * Enumerations (but not C++11 "scoped enumerations"):
1243
1244   .. code-block:: c++
1245
1246     enum Color {
1247       Red,
1248       Green,
1249       Blue
1250     };
1251     // Red, Green, and Blue are in scope
1252
1253 * C++ linkage specifications:
1254
1255   .. code-block:: c++
1256
1257     extern "C" {
1258       void f(int);
1259       void g(int);
1260     }
1261     // f and g are in scope
1262
1263 * Anonymous unions and structs:
1264
1265   .. code-block:: c++
1266
1267     struct LookupTable {
1268       bool IsVector;
1269       union {
1270         std::vector<Item> *Vector;
1271         std::set<Item> *Set;
1272       };
1273     };
1274
1275     LookupTable LT;
1276     LT.Vector = 0; // Okay: finds Vector inside the unnamed union
1277
1278 * C++11 inline namespaces:
1279
1280   .. code-block:: c++
1281
1282     namespace mylib {
1283       inline namespace debug {
1284         class X;
1285       }
1286     }
1287     mylib::X *xp; // okay: mylib::X refers to mylib::debug::X
1288
1289 .. _MultiDeclContext:
1290
1291 Multiply-Defined Declaration Contexts
1292 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1293
1294 C++ namespaces have the interesting --- and, so far, unique --- property that
1295 the namespace can be defined multiple times, and the declarations provided by
1296 each namespace definition are effectively merged (from the semantic point of
1297 view).  For example, the following two code snippets are semantically
1298 indistinguishable:
1299
1300 .. code-block:: c++
1301
1302   // Snippet #1:
1303   namespace N {
1304     void f();
1305   }
1306   namespace N {
1307     void f(int);
1308   }
1309
1310   // Snippet #2:
1311   namespace N {
1312     void f();
1313     void f(int);
1314   }
1315
1316 In Clang's representation, the source-centric view of declaration contexts will
1317 actually have two separate ``NamespaceDecl`` nodes in Snippet #1, each of which
1318 is a declaration context that contains a single declaration of "``f``".
1319 However, the semantics-centric view provided by name lookup into the namespace
1320 ``N`` for "``f``" will return a ``DeclContext::lookup_result`` that contains a
1321 range of iterators over declarations of "``f``".
1322
1323 ``DeclContext`` manages multiply-defined declaration contexts internally.  The
1324 function ``DeclContext::getPrimaryContext`` retrieves the "primary" context for
1325 a given ``DeclContext`` instance, which is the ``DeclContext`` responsible for
1326 maintaining the lookup table used for the semantics-centric view.  Given the
1327 primary context, one can follow the chain of ``DeclContext`` nodes that define
1328 additional declarations via ``DeclContext::getNextContext``.  Note that these
1329 functions are used internally within the lookup and insertion methods of the
1330 ``DeclContext``, so the vast majority of clients can ignore them.
1331
1332 .. _CFG:
1333
1334 The ``CFG`` class
1335 -----------------
1336
1337 The ``CFG`` class is designed to represent a source-level control-flow graph
1338 for a single statement (``Stmt*``).  Typically instances of ``CFG`` are
1339 constructed for function bodies (usually an instance of ``CompoundStmt``), but
1340 can also be instantiated to represent the control-flow of any class that
1341 subclasses ``Stmt``, which includes simple expressions.  Control-flow graphs
1342 are especially useful for performing `flow- or path-sensitive
1343 <http://en.wikipedia.org/wiki/Data_flow_analysis#Sensitivities>`_ program
1344 analyses on a given function.
1345
1346 Basic Blocks
1347 ^^^^^^^^^^^^
1348
1349 Concretely, an instance of ``CFG`` is a collection of basic blocks.  Each basic
1350 block is an instance of ``CFGBlock``, which simply contains an ordered sequence
1351 of ``Stmt*`` (each referring to statements in the AST).  The ordering of
1352 statements within a block indicates unconditional flow of control from one
1353 statement to the next.  :ref:`Conditional control-flow
1354 <ConditionalControlFlow>` is represented using edges between basic blocks.  The
1355 statements within a given ``CFGBlock`` can be traversed using the
1356 ``CFGBlock::*iterator`` interface.
1357
1358 A ``CFG`` object owns the instances of ``CFGBlock`` within the control-flow
1359 graph it represents.  Each ``CFGBlock`` within a CFG is also uniquely numbered
1360 (accessible via ``CFGBlock::getBlockID()``).  Currently the number is based on
1361 the ordering the blocks were created, but no assumptions should be made on how
1362 ``CFGBlocks`` are numbered other than their numbers are unique and that they
1363 are numbered from 0..N-1 (where N is the number of basic blocks in the CFG).
1364
1365 Entry and Exit Blocks
1366 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1367
1368 Each instance of ``CFG`` contains two special blocks: an *entry* block
1369 (accessible via ``CFG::getEntry()``), which has no incoming edges, and an
1370 *exit* block (accessible via ``CFG::getExit()``), which has no outgoing edges.
1371 Neither block contains any statements, and they serve the role of providing a
1372 clear entrance and exit for a body of code such as a function body.  The
1373 presence of these empty blocks greatly simplifies the implementation of many
1374 analyses built on top of CFGs.
1375
1376 .. _ConditionalControlFlow:
1377
1378 Conditional Control-Flow
1379 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1380
1381 Conditional control-flow (such as those induced by if-statements and loops) is
1382 represented as edges between ``CFGBlocks``.  Because different C language
1383 constructs can induce control-flow, each ``CFGBlock`` also records an extra
1384 ``Stmt*`` that represents the *terminator* of the block.  A terminator is
1385 simply the statement that caused the control-flow, and is used to identify the
1386 nature of the conditional control-flow between blocks.  For example, in the
1387 case of an if-statement, the terminator refers to the ``IfStmt`` object in the
1388 AST that represented the given branch.
1389
1390 To illustrate, consider the following code example:
1391
1392 .. code-block:: c++
1393
1394   int foo(int x) {
1395     x = x + 1;
1396     if (x > 2)
1397       x++;
1398     else {
1399       x += 2;
1400       x *= 2;
1401     }
1402
1403     return x;
1404   }
1405
1406 After invoking the parser+semantic analyzer on this code fragment, the AST of
1407 the body of ``foo`` is referenced by a single ``Stmt*``.  We can then construct
1408 an instance of ``CFG`` representing the control-flow graph of this function
1409 body by single call to a static class method:
1410
1411 .. code-block:: c++
1412
1413   Stmt *FooBody = ...
1414   std::unique_ptr<CFG> FooCFG = CFG::buildCFG(FooBody);
1415
1416 Along with providing an interface to iterate over its ``CFGBlocks``, the
1417 ``CFG`` class also provides methods that are useful for debugging and
1418 visualizing CFGs.  For example, the method ``CFG::dump()`` dumps a
1419 pretty-printed version of the CFG to standard error.  This is especially useful
1420 when one is using a debugger such as gdb.  For example, here is the output of
1421 ``FooCFG->dump()``:
1422
1423 .. code-block:: c++
1424
1425  [ B5 (ENTRY) ]
1426     Predecessors (0):
1427     Successors (1): B4
1428
1429  [ B4 ]
1430     1: x = x + 1
1431     2: (x > 2)
1432     T: if [B4.2]
1433     Predecessors (1): B5
1434     Successors (2): B3 B2
1435
1436  [ B3 ]
1437     1: x++
1438     Predecessors (1): B4
1439     Successors (1): B1
1440
1441  [ B2 ]
1442     1: x += 2
1443     2: x *= 2
1444     Predecessors (1): B4
1445     Successors (1): B1
1446
1447  [ B1 ]
1448     1: return x;
1449     Predecessors (2): B2 B3
1450     Successors (1): B0
1451
1452  [ B0 (EXIT) ]
1453     Predecessors (1): B1
1454     Successors (0):
1455
1456 For each block, the pretty-printed output displays for each block the number of
1457 *predecessor* blocks (blocks that have outgoing control-flow to the given
1458 block) and *successor* blocks (blocks that have control-flow that have incoming
1459 control-flow from the given block).  We can also clearly see the special entry
1460 and exit blocks at the beginning and end of the pretty-printed output.  For the
1461 entry block (block B5), the number of predecessor blocks is 0, while for the
1462 exit block (block B0) the number of successor blocks is 0.
1463
1464 The most interesting block here is B4, whose outgoing control-flow represents
1465 the branching caused by the sole if-statement in ``foo``.  Of particular
1466 interest is the second statement in the block, ``(x > 2)``, and the terminator,
1467 printed as ``if [B4.2]``.  The second statement represents the evaluation of
1468 the condition of the if-statement, which occurs before the actual branching of
1469 control-flow.  Within the ``CFGBlock`` for B4, the ``Stmt*`` for the second
1470 statement refers to the actual expression in the AST for ``(x > 2)``.  Thus
1471 pointers to subclasses of ``Expr`` can appear in the list of statements in a
1472 block, and not just subclasses of ``Stmt`` that refer to proper C statements.
1473
1474 The terminator of block B4 is a pointer to the ``IfStmt`` object in the AST.
1475 The pretty-printer outputs ``if [B4.2]`` because the condition expression of
1476 the if-statement has an actual place in the basic block, and thus the
1477 terminator is essentially *referring* to the expression that is the second
1478 statement of block B4 (i.e., B4.2).  In this manner, conditions for
1479 control-flow (which also includes conditions for loops and switch statements)
1480 are hoisted into the actual basic block.
1481
1482 .. Implicit Control-Flow
1483 .. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1484
1485 .. A key design principle of the ``CFG`` class was to not require any
1486 .. transformations to the AST in order to represent control-flow.  Thus the
1487 .. ``CFG`` does not perform any "lowering" of the statements in an AST: loops
1488 .. are not transformed into guarded gotos, short-circuit operations are not
1489 .. converted to a set of if-statements, and so on.
1490
1491 Constant Folding in the Clang AST
1492 ---------------------------------
1493
1494 There are several places where constants and constant folding matter a lot to
1495 the Clang front-end.  First, in general, we prefer the AST to retain the source
1496 code as close to how the user wrote it as possible.  This means that if they
1497 wrote "``5+4``", we want to keep the addition and two constants in the AST, we
1498 don't want to fold to "``9``".  This means that constant folding in various
1499 ways turns into a tree walk that needs to handle the various cases.
1500
1501 However, there are places in both C and C++ that require constants to be
1502 folded.  For example, the C standard defines what an "integer constant
1503 expression" (i-c-e) is with very precise and specific requirements.  The
1504 language then requires i-c-e's in a lot of places (for example, the size of a
1505 bitfield, the value for a case statement, etc).  For these, we have to be able
1506 to constant fold the constants, to do semantic checks (e.g., verify bitfield
1507 size is non-negative and that case statements aren't duplicated).  We aim for
1508 Clang to be very pedantic about this, diagnosing cases when the code does not
1509 use an i-c-e where one is required, but accepting the code unless running with
1510 ``-pedantic-errors``.
1511
1512 Things get a little bit more tricky when it comes to compatibility with
1513 real-world source code.  Specifically, GCC has historically accepted a huge
1514 superset of expressions as i-c-e's, and a lot of real world code depends on
1515 this unfortuate accident of history (including, e.g., the glibc system
1516 headers).  GCC accepts anything its "fold" optimizer is capable of reducing to
1517 an integer constant, which means that the definition of what it accepts changes
1518 as its optimizer does.  One example is that GCC accepts things like "``case
1519 X-X:``" even when ``X`` is a variable, because it can fold this to 0.
1520
1521 Another issue are how constants interact with the extensions we support, such
1522 as ``__builtin_constant_p``, ``__builtin_inf``, ``__extension__`` and many
1523 others.  C99 obviously does not specify the semantics of any of these
1524 extensions, and the definition of i-c-e does not include them.  However, these
1525 extensions are often used in real code, and we have to have a way to reason
1526 about them.
1527
1528 Finally, this is not just a problem for semantic analysis.  The code generator
1529 and other clients have to be able to fold constants (e.g., to initialize global
1530 variables) and has to handle a superset of what C99 allows.  Further, these
1531 clients can benefit from extended information.  For example, we know that
1532 "``foo() || 1``" always evaluates to ``true``, but we can't replace the
1533 expression with ``true`` because it has side effects.
1534
1535 Implementation Approach
1536 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1537
1538 After trying several different approaches, we've finally converged on a design
1539 (Note, at the time of this writing, not all of this has been implemented,
1540 consider this a design goal!).  Our basic approach is to define a single
1541 recursive method evaluation method (``Expr::Evaluate``), which is implemented
1542 in ``AST/ExprConstant.cpp``.  Given an expression with "scalar" type (integer,
1543 fp, complex, or pointer) this method returns the following information:
1544
1545 * Whether the expression is an integer constant expression, a general constant
1546   that was folded but has no side effects, a general constant that was folded
1547   but that does have side effects, or an uncomputable/unfoldable value.
1548 * If the expression was computable in any way, this method returns the
1549   ``APValue`` for the result of the expression.
1550 * If the expression is not evaluatable at all, this method returns information
1551   on one of the problems with the expression.  This includes a
1552   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that explains
1553   the problem.  The diagnostic should have ``ERROR`` type.
1554 * If the expression is not an integer constant expression, this method returns
1555   information on one of the problems with the expression.  This includes a
1556   ``SourceLocation`` for where the problem is, and a diagnostic ID that
1557   explains the problem.  The diagnostic should have ``EXTENSION`` type.
1558
1559 This information gives various clients the flexibility that they want, and we
1560 will eventually have some helper methods for various extensions.  For example,
1561 ``Sema`` should have a ``Sema::VerifyIntegerConstantExpression`` method, which
1562 calls ``Evaluate`` on the expression.  If the expression is not foldable, the
1563 error is emitted, and it would return ``true``.  If the expression is not an
1564 i-c-e, the ``EXTENSION`` diagnostic is emitted.  Finally it would return
1565 ``false`` to indicate that the AST is OK.
1566
1567 Other clients can use the information in other ways, for example, codegen can
1568 just use expressions that are foldable in any way.
1569
1570 Extensions
1571 ^^^^^^^^^^
1572
1573 This section describes how some of the various extensions Clang supports
1574 interacts with constant evaluation:
1575
1576 * ``__extension__``: The expression form of this extension causes any
1577   evaluatable subexpression to be accepted as an integer constant expression.
1578 * ``__builtin_constant_p``: This returns true (as an integer constant
1579   expression) if the operand evaluates to either a numeric value (that is, not
1580   a pointer cast to integral type) of integral, enumeration, floating or
1581   complex type, or if it evaluates to the address of the first character of a
1582   string literal (possibly cast to some other type).  As a special case, if
1583   ``__builtin_constant_p`` is the (potentially parenthesized) condition of a
1584   conditional operator expression ("``?:``"), only the true side of the
1585   conditional operator is considered, and it is evaluated with full constant
1586   folding.
1587 * ``__builtin_choose_expr``: The condition is required to be an integer
1588   constant expression, but we accept any constant as an "extension of an
1589   extension".  This only evaluates one operand depending on which way the
1590   condition evaluates.
1591 * ``__builtin_classify_type``: This always returns an integer constant
1592   expression.
1593 * ``__builtin_inf, nan, ...``: These are treated just like a floating-point
1594   literal.
1595 * ``__builtin_abs, copysign, ...``: These are constant folded as general
1596   constant expressions.
1597 * ``__builtin_strlen`` and ``strlen``: These are constant folded as integer
1598   constant expressions if the argument is a string literal.
1599
1600 .. _Sema:
1601
1602 The Sema Library
1603 ================
1604
1605 This library is called by the :ref:`Parser library <Parser>` during parsing to
1606 do semantic analysis of the input.  For valid programs, Sema builds an AST for
1607 parsed constructs.
1608
1609 .. _CodeGen:
1610
1611 The CodeGen Library
1612 ===================
1613
1614 CodeGen takes an :ref:`AST <AST>` as input and produces `LLVM IR code
1615 <//llvm.org/docs/LangRef.html>`_ from it.
1616
1617 How to change Clang
1618 ===================
1619
1620 How to add an attribute
1621 -----------------------
1622
1623 Attribute Basics
1624 ^^^^^^^^^^^^^^^^
1625
1626 Attributes in clang come in two forms: parsed form, and semantic form. Both 
1627 forms are represented via a tablegen definition of the attribute, specified in
1628 Attr.td.
1629
1630
1631 ``include/clang/Basic/Attr.td``
1632 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1633
1634 First, add your attribute to the `include/clang/Basic/Attr.td 
1635 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/include/clang/Basic/Attr.td?view=markup>`_ 
1636 file.
1637
1638 Each attribute gets a ``def`` inheriting from ``Attr`` or one of its
1639 subclasses.  ``InheritableAttr`` means that the attribute also applies to
1640 subsequent declarations of the same name.  ``InheritableParamAttr`` is similar 
1641 to ``InheritableAttr``, except that the attribute is written on a parameter 
1642 instead of a declaration, type or statement.  Attributes inheriting from 
1643 ``TypeAttr`` are pure type attributes which generally are not given a 
1644 representation in the AST.  Attributes inheriting from ``TargetSpecificAttr`` 
1645 are attributes specific to one or more target architectures.  An attribute that 
1646 inherits from ``IgnoredAttr`` is parsed, but will generate an ignored attribute 
1647 diagnostic when used.  The attribute type may be useful when an attribute is 
1648 supported by another vendor, but not supported by clang.
1649
1650 ``Spellings`` lists the strings that can appear in ``__attribute__((here))`` or
1651 ``[[here]]``.  All such strings will be synonymous.  Possible ``Spellings`` 
1652 are: ``GNU`` (for use with GNU-style __attribute__ spellings), ``Declspec`` 
1653 (for use with Microsoft Visual Studio-style __declspec spellings), ``CXX11` 
1654 (for use with C++11-style [[foo]] and [[foo::bar]] spellings), and ``Keyword`` 
1655 (for use with attributes that are implemented as keywords, like C++11's 
1656 ``override`` or ``final``). If you want to allow the ``[[]]`` C++11 syntax, you 
1657 have to define a list of ``Namespaces``, which will let users write 
1658 ``[[namespace::spelling]]``.  Using the empty string for a namespace will allow 
1659 users to write just the spelling with no "``::``".  Attributes which g++-4.8 
1660 or later accepts should also have a ``CXX11<"gnu", "spelling">`` spelling.
1661
1662 ``Subjects`` restricts what kinds of AST node to which this attribute can
1663 appertain (roughly, attach).  The subjects are specified via a ``SubjectList``, 
1664 which specify the list of subjects. Additionally, subject-related diagnostics 
1665 can be specified to be warnings or errors, with the default being a warning.  
1666 The diagnostics displayed to the user are automatically determined based on 
1667 the subjects in the list, but a custom diagnostic parameter can also be 
1668 specified in the ``SubjectList``.  The diagnostics generated for subject list 
1669 violations are either ``diag::warn_attribute_wrong_decl_type`` or
1670 ``diag::err_attribute_wrong_decl_type``, and the parameter enumeration is 
1671 found in `include/clang/Sema/AttributeList.h 
1672 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/include/clang/Sema/AttributeList.h?view=markup>`_ 
1673 If you add new Decl nodes to the ``SubjectList``, you may need to update the 
1674 logic used to automatically determine the diagnostic parameter in `utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp 
1675 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/utils/TableGen/ClangAttrEmitter.cpp?view=markup>`_.
1676
1677 Diagnostic checking for attribute subject lists is automated except when 
1678 ``HasCustomParsing`` is set to ``1``.
1679
1680 By default, all subjects in the SubjectList must either be a Decl node defined 
1681 in ``DeclNodes.td``, or a statement node defined in ``StmtNodes.td``.  However, 
1682 more complex subjects can be created by creating a ``SubsetSubject`` object.  
1683 Each such object has a base subject which it appertains to (which must be a 
1684 Decl or Stmt node, and not a SubsetSubject node), and some custom code which is 
1685 called when determining whether an attribute appertains to the subject.  For 
1686 instance, a ``NonBitField`` SubsetSubject appertains to a ``FieldDecl``, and 
1687 tests whether the given FieldDecl is a bit field.  When a SubsetSubject is 
1688 specified in a SubjectList, a custom diagnostic parameter must also be provided.
1689
1690 ``Args`` names the arguments the attribute takes, in order.  If ``Args`` is
1691 ``[StringArgument<"Arg1">, IntArgument<"Arg2">]`` then
1692 ``__attribute__((myattribute("Hello", 3)))`` will be a valid use.  Attribute 
1693 arguments specify both the parsed form and the semantic form of the attribute.  
1694 The previous example shows an attribute which requires two attributes while 
1695 parsing, and the Attr subclass' constructor for the attribute will require a 
1696 string and integer argument.
1697
1698 Diagnostic checking for argument counts is automated except when 
1699 ``HasCustomParsing`` is set to ``1``, or when the attribute uses an optional or 
1700 variadic argument.  Diagnostic checking for argument semantics is not automated.
1701
1702 If the parsed form of the attribute is more complex, or differs from the 
1703 semantic form, the ``HasCustomParsing`` bit can be set to ``1`` for the class, 
1704 and the parsing code in `Parser::ParseGNUAttributeArgs 
1705 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/lib/Parse/ParseDecl.cpp?view=markup>`_ 
1706 can be updated for the special case.  Note that this only applies to arguments 
1707 with a GNU spelling -- attributes with a __declspec spelling currently ignore 
1708 this flag and are handled by ``Parser::ParseMicrosoftDeclSpec``.
1709
1710 Custom accessors can be generated for an attribute based on the spelling list 
1711 for that attribute.  For instance, if an attribute has two different spellings: 
1712 'Foo' and 'Bar', accessors can be created: 
1713 ``[Accessor<"isFoo", [GNU<"Foo">]>, Accessor<"isBar", [GNU<"Bar">]>]``
1714 These accessors will be generated on the semantic form of the attribute, 
1715 accepting no arguments and returning a Boolean.
1716
1717 Attributes which do not require an AST node should set the ``ASTNode`` field to 
1718 ``0`` to avoid polluting the AST.  Note that anything inheriting from 
1719 ``TypeAttr`` or ``IgnoredAttr`` automatically do not generate an AST node.  All 
1720 other attributes generate an AST node by default.  The AST node is the semantic 
1721 representation of the attribute.
1722
1723 Attributes which do not require custom semantic handling should set the 
1724 ``SemaHandler`` field to ``0``.  Note that anything inheriting from 
1725 ``IgnoredAttr`` automatically do not get a semantic handler.  All other 
1726 attributes are assumed to use a semantic handler by default.  Attributes 
1727 without a semantic handler are not given a parsed attribute Kind enumeration.
1728
1729 The ``LangOpts`` field can be used to specify a list of language options 
1730 required by the attribute.  For instance, all of the CUDA-specific attributes 
1731 specify ``[CUDA]`` for the ``LangOpts`` field, and when the CUDA language 
1732 option is not enabled, an "attribute ignored" warning diagnostic is emitted.  
1733 Since language options are not table generated nodes, new language options must 
1734 be created manually and should specify the spelling used by ``LangOptions`` class.
1735
1736 Target-specific attribute sometimes share a spelling with other attributes in 
1737 different targets.  For instance, the ARM and MSP430 targets both have an 
1738 attribute spelled ``GNU<"interrupt">``, but with different parsing and semantic 
1739 requirements.  To support this feature, an attribute inheriting from 
1740 ``TargetSpecificAttribute`` make specify a ``ParseKind`` field.  This field 
1741 should be the same value between all arguments sharing a spelling, and 
1742 corresponds to the parsed attribute's Kind enumeration.  This allows attributes 
1743 to share a parsed attribute kind, but have distinct semantic attribute classes.  
1744 For instance, ``AttributeList::AT_Interrupt`` is the shared parsed attribute 
1745 kind, but ARMInterruptAttr and MSP430InterruptAttr are the semantic attributes 
1746 generated.
1747
1748 By default, when declarations are merging attributes, an attribute will not be 
1749 duplicated. However, if an attribute can be duplicated during this merging 
1750 stage, set ``DuplicatesAllowedWhileMerging`` to ``1``, and the attribute will 
1751 be merged.
1752
1753 By default, attribute arguments are parsed in an evaluated context. If the 
1754 arguments for an attribute should be parsed in an unevaluated context (akin to 
1755 the way the argument to a ``sizeof`` expression is parsed), you can set 
1756 ``ParseArgumentsAsUnevaluated`` to ``1``.
1757
1758 If additional functionality is desired for the semantic form of the attribute, 
1759 the ``AdditionalMembers`` field specifies code to be copied verbatim into the 
1760 semantic attribute class object.
1761
1762 All attributes must have one or more form of documentation, which is provided 
1763 in the ``Documentation`` list. Generally, the documentation for an attribute 
1764 is a stand-alone definition in `include/clang/Basic/AttrDocs.td 
1765 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/include/clang/Basic/AttdDocs.td?view=markup>`_
1766 that is named after the attribute being documented. Each documentation element 
1767 is given a ``Category`` (variable, function, or type) and ``Content``. A single 
1768 attribute may contain multiple documentation elements for distinct categories. 
1769 For instance, an attribute which can appertain to both function and types (such 
1770 as a calling convention attribute), should contain two documentation elements. 
1771 The ``Content`` for an attribute uses reStructuredText (RST) syntax.
1772
1773 If an attribute is used internally by the compiler, but is not written by users 
1774 (such as attributes with an empty spelling list), it can use the 
1775 ``Undocumented`` documentation element.
1776
1777 Boilerplate
1778 ^^^^^^^^^^^
1779
1780 All semantic processing of declaration attributes happens in `lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp
1781 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/lib/Sema/SemaDeclAttr.cpp?view=markup>`_, 
1782 and generally starts in the ``ProcessDeclAttribute`` function.  If your 
1783 attribute is a "simple" attribute -- meaning that it requires no custom 
1784 semantic processing aside from what is automatically  provided for you, you can 
1785 add a call to ``handleSimpleAttribute<YourAttr>(S, D, Attr);`` to the switch 
1786 statement. Otherwise, write a new ``handleYourAttr()`` function, and add that 
1787 to the switch statement.
1788
1789 If your attribute causes extra warnings to fire, define a ``DiagGroup`` in
1790 `include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td
1791 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/include/clang/Basic/DiagnosticGroups.td?view=markup>`_
1792 named after the attribute's ``Spelling`` with "_"s replaced by "-"s.  If you're
1793 only defining one diagnostic, you can skip ``DiagnosticGroups.td`` and use
1794 ``InGroup<DiagGroup<"your-attribute">>`` directly in `DiagnosticSemaKinds.td
1795 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/cfe/trunk/include/clang/Basic/DiagnosticSemaKinds.td?view=markup>`_
1796
1797 All semantic diagnostics generated for your attribute, including automatically-
1798 generated ones (such as subjects and argument counts), should have a 
1799 corresponding test case.
1800
1801 The meat of your attribute
1802 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1803
1804 Find an appropriate place in Clang to do whatever your attribute needs to do.
1805 Check for the attribute's presence using ``Decl::getAttr<YourAttr>()``.
1806
1807 Update the :doc:`LanguageExtensions` document to describe your new attribute.
1808
1809 How to add an expression or statement
1810 -------------------------------------
1811
1812 Expressions and statements are one of the most fundamental constructs within a
1813 compiler, because they interact with many different parts of the AST, semantic
1814 analysis, and IR generation.  Therefore, adding a new expression or statement
1815 kind into Clang requires some care.  The following list details the various
1816 places in Clang where an expression or statement needs to be introduced, along
1817 with patterns to follow to ensure that the new expression or statement works
1818 well across all of the C languages.  We focus on expressions, but statements
1819 are similar.
1820
1821 #. Introduce parsing actions into the parser.  Recursive-descent parsing is
1822    mostly self-explanatory, but there are a few things that are worth keeping
1823    in mind:
1824
1825    * Keep as much source location information as possible! You'll want it later
1826      to produce great diagnostics and support Clang's various features that map
1827      between source code and the AST.
1828    * Write tests for all of the "bad" parsing cases, to make sure your recovery
1829      is good.  If you have matched delimiters (e.g., parentheses, square
1830      brackets, etc.), use ``Parser::BalancedDelimiterTracker`` to give nice
1831      diagnostics when things go wrong.
1832
1833 #. Introduce semantic analysis actions into ``Sema``.  Semantic analysis should
1834    always involve two functions: an ``ActOnXXX`` function that will be called
1835    directly from the parser, and a ``BuildXXX`` function that performs the
1836    actual semantic analysis and will (eventually!) build the AST node.  It's
1837    fairly common for the ``ActOnCXX`` function to do very little (often just
1838    some minor translation from the parser's representation to ``Sema``'s
1839    representation of the same thing), but the separation is still important:
1840    C++ template instantiation, for example, should always call the ``BuildXXX``
1841    variant.  Several notes on semantic analysis before we get into construction
1842    of the AST:
1843
1844    * Your expression probably involves some types and some subexpressions.
1845      Make sure to fully check that those types, and the types of those
1846      subexpressions, meet your expectations.  Add implicit conversions where
1847      necessary to make sure that all of the types line up exactly the way you
1848      want them.  Write extensive tests to check that you're getting good
1849      diagnostics for mistakes and that you can use various forms of
1850      subexpressions with your expression.
1851    * When type-checking a type or subexpression, make sure to first check
1852      whether the type is "dependent" (``Type::isDependentType()``) or whether a
1853      subexpression is type-dependent (``Expr::isTypeDependent()``).  If any of
1854      these return ``true``, then you're inside a template and you can't do much
1855      type-checking now.  That's normal, and your AST node (when you get there)
1856      will have to deal with this case.  At this point, you can write tests that
1857      use your expression within templates, but don't try to instantiate the
1858      templates.
1859    * For each subexpression, be sure to call ``Sema::CheckPlaceholderExpr()``
1860      to deal with "weird" expressions that don't behave well as subexpressions.
1861      Then, determine whether you need to perform lvalue-to-rvalue conversions
1862      (``Sema::DefaultLvalueConversions``) or the usual unary conversions
1863      (``Sema::UsualUnaryConversions``), for places where the subexpression is
1864      producing a value you intend to use.
1865    * Your ``BuildXXX`` function will probably just return ``ExprError()`` at
1866      this point, since you don't have an AST.  That's perfectly fine, and
1867      shouldn't impact your testing.
1868
1869 #. Introduce an AST node for your new expression.  This starts with declaring
1870    the node in ``include/Basic/StmtNodes.td`` and creating a new class for your
1871    expression in the appropriate ``include/AST/Expr*.h`` header.  It's best to
1872    look at the class for a similar expression to get ideas, and there are some
1873    specific things to watch for:
1874
1875    * If you need to allocate memory, use the ``ASTContext`` allocator to
1876      allocate memory.  Never use raw ``malloc`` or ``new``, and never hold any
1877      resources in an AST node, because the destructor of an AST node is never
1878      called.
1879    * Make sure that ``getSourceRange()`` covers the exact source range of your
1880      expression.  This is needed for diagnostics and for IDE support.
1881    * Make sure that ``children()`` visits all of the subexpressions.  This is
1882      important for a number of features (e.g., IDE support, C++ variadic
1883      templates).  If you have sub-types, you'll also need to visit those
1884      sub-types in ``RecursiveASTVisitor`` and ``DataRecursiveASTVisitor``.
1885    * Add printing support (``StmtPrinter.cpp``) for your expression.
1886    * Add profiling support (``StmtProfile.cpp``) for your AST node, noting the
1887      distinguishing (non-source location) characteristics of an instance of
1888      your expression.  Omitting this step will lead to hard-to-diagnose
1889      failures regarding matching of template declarations.
1890    * Add serialization support (``ASTReaderStmt.cpp``, ``ASTWriterStmt.cpp``)
1891      for your AST node.
1892
1893 #. Teach semantic analysis to build your AST node.  At this point, you can wire
1894    up your ``Sema::BuildXXX`` function to actually create your AST.  A few
1895    things to check at this point:
1896
1897    * If your expression can construct a new C++ class or return a new
1898      Objective-C object, be sure to update and then call
1899      ``Sema::MaybeBindToTemporary`` for your just-created AST node to be sure
1900      that the object gets properly destructed.  An easy way to test this is to
1901      return a C++ class with a private destructor: semantic analysis should
1902      flag an error here with the attempt to call the destructor.
1903    * Inspect the generated AST by printing it using ``clang -cc1 -ast-print``,
1904      to make sure you're capturing all of the important information about how
1905      the AST was written.
1906    * Inspect the generated AST under ``clang -cc1 -ast-dump`` to verify that
1907      all of the types in the generated AST line up the way you want them.
1908      Remember that clients of the AST should never have to "think" to
1909      understand what's going on.  For example, all implicit conversions should
1910      show up explicitly in the AST.
1911    * Write tests that use your expression as a subexpression of other,
1912      well-known expressions.  Can you call a function using your expression as
1913      an argument?  Can you use the ternary operator?
1914
1915 #. Teach code generation to create IR to your AST node.  This step is the first
1916    (and only) that requires knowledge of LLVM IR.  There are several things to
1917    keep in mind:
1918
1919    * Code generation is separated into scalar/aggregate/complex and
1920      lvalue/rvalue paths, depending on what kind of result your expression
1921      produces.  On occasion, this requires some careful factoring of code to
1922      avoid duplication.
1923    * ``CodeGenFunction`` contains functions ``ConvertType`` and
1924      ``ConvertTypeForMem`` that convert Clang's types (``clang::Type*`` or
1925      ``clang::QualType``) to LLVM types.  Use the former for values, and the
1926      later for memory locations: test with the C++ "``bool``" type to check
1927      this.  If you find that you are having to use LLVM bitcasts to make the
1928      subexpressions of your expression have the type that your expression
1929      expects, STOP!  Go fix semantic analysis and the AST so that you don't
1930      need these bitcasts.
1931    * The ``CodeGenFunction`` class has a number of helper functions to make
1932      certain operations easy, such as generating code to produce an lvalue or
1933      an rvalue, or to initialize a memory location with a given value.  Prefer
1934      to use these functions rather than directly writing loads and stores,
1935      because these functions take care of some of the tricky details for you
1936      (e.g., for exceptions).
1937    * If your expression requires some special behavior in the event of an
1938      exception, look at the ``push*Cleanup`` functions in ``CodeGenFunction``
1939      to introduce a cleanup.  You shouldn't have to deal with
1940      exception-handling directly.
1941    * Testing is extremely important in IR generation.  Use ``clang -cc1
1942      -emit-llvm`` and `FileCheck
1943      <http://llvm.org/docs/CommandGuide/FileCheck.html>`_ to verify that you're
1944      generating the right IR.
1945
1946 #. Teach template instantiation how to cope with your AST node, which requires
1947    some fairly simple code:
1948
1949    * Make sure that your expression's constructor properly computes the flags
1950      for type dependence (i.e., the type your expression produces can change
1951      from one instantiation to the next), value dependence (i.e., the constant
1952      value your expression produces can change from one instantiation to the
1953      next), instantiation dependence (i.e., a template parameter occurs
1954      anywhere in your expression), and whether your expression contains a
1955      parameter pack (for variadic templates).  Often, computing these flags
1956      just means combining the results from the various types and
1957      subexpressions.
1958    * Add ``TransformXXX`` and ``RebuildXXX`` functions to the ``TreeTransform``
1959      class template in ``Sema``.  ``TransformXXX`` should (recursively)
1960      transform all of the subexpressions and types within your expression,
1961      using ``getDerived().TransformYYY``.  If all of the subexpressions and
1962      types transform without error, it will then call the ``RebuildXXX``
1963      function, which will in turn call ``getSema().BuildXXX`` to perform
1964      semantic analysis and build your expression.
1965    * To test template instantiation, take those tests you wrote to make sure
1966      that you were type checking with type-dependent expressions and dependent
1967      types (from step #2) and instantiate those templates with various types,
1968      some of which type-check and some that don't, and test the error messages
1969      in each case.
1970
1971 #. There are some "extras" that make other features work better.  It's worth
1972    handling these extras to give your expression complete integration into
1973    Clang:
1974
1975    * Add code completion support for your expression in
1976      ``SemaCodeComplete.cpp``.
1977    * If your expression has types in it, or has any "interesting" features
1978      other than subexpressions, extend libclang's ``CursorVisitor`` to provide
1979      proper visitation for your expression, enabling various IDE features such
1980      as syntax highlighting, cross-referencing, and so on.  The
1981      ``c-index-test`` helper program can be used to test these features.
1982