LLVM - 调试信息迁移：从指令内在（intrinsics）到记录（records）

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调试信息迁移：从指令内在（intrinsics）到记录（records）

我们计划从LLVM中移除调试信息指令内在（debug info intrinsics），因为它们执行缓慢、难以维护，并且在优化pass没有预料到时可能引起混淆。现有的代码序列如下：

%add = add i32 %foo, %bar
call void @llvm.dbg.value(metadata %add, ...)
%sub = sub i32 %add, %tosub
call void @llvm.dbg.value(metadata %sub, ...)
call void @a_normal_function()

其中 dbg.value 指令内在用于表示调试信息。未来，新的IR打印格式如下：

%add = add i32 %foo, %bar
  #dbg_value(%add, ...)
%sub = sub i32 %add, %tosub
  #dbg_value(%sub, ...)
call void @a_normal_function()

新的调试记录(record)不是指令，不会出现在指令列表中，优化pass中默认也不会出现，除非你刻意去查找它们。

太棒了，我需要做什么？

我们已经基本完成了这项迁移。剩下的注意点是：今后，插入指令到基本块时需要使用迭代器(iterator)而不是指令指针。大多数场景下，你只需在指令指针上调用 getIterator。但是，如果你调用返回基本块开始位置的函数（比如）：

  1. BasicBlock::begin
  2. BasicBlock::getFirstNonPHIIt
  3. BasicBlock::getFirstInsertionPt

那么请直接把这个迭代器传递给插入函数（iterator对象带有调试信息相关的比特位）。就这么多！下面有更详细的解释。

API变更

需要注意两个重大变化。首先，BasicBlock::iterator 类新增了一个调试相关的比特位，这样我们能区分某个区间是否包含了基本块起始的调试信息。因此，在插入LLVM IR指令时，应使用 BasicBlock::iterator来标识位置，而不是指令指针(Instruction *)。通常，你定位插入位置后，需在指令对象上调用getIterator；但如果需要插入到基本块开始，必须通过getFirstInsertionPt、getFirstNonPHIIt或begin获取迭代器并传递。

第二点，当你需要手动把成组指令搬移到新位置（例如你依次用moveBefore而不是splice），应使用moveBeforePreserving。它会把绑定在指令上的调试记录一起移动。之前用moveBefore会自动带过调试信息内在，但用新记录格式则不会，所以推荐用moveBeforePreserving。

更多更新已有代码以支持调试记录的指南详见下方文档。

文本IR的变化

IR中的调试信息由内在变为记录后，所有依赖LLVM产出的IR文本的工具都要适配新格式。总体区别主要包括：

  1. 调试记录行相比之前多了2个空格缩进；
  2. (tail|notail|musttail)? call void @llvm.dbg.<type> 被替换为 #dbg_<type>；
  3. 遗弃原先参数中的metadata关键字；
  4. DILocation 从原本作为!dbg !<Num> 指令附加属性，变成作为记录的最后一个参数直接传递，如 !<Num>。

例子对比如下：

旧调试内在：

  call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %add, metadata !10, metadata !DIExpression()), !dbg !20

新调试记录：

    #dbg_value(i32 %add, !10, !DIExpression(), !20)

测试更新

任何测试下游仓库若断言了LLVM生成的IR输出，都可能因为调试记录替换而报错。根据上述格式变化，单个测试的修正非常直观。但是涉及大量测试时，更新操作会很繁琐。官方仓库的主要lit测试更新步骤如下：

  1. 把所有失败的测试文件名收集到failing-tests.txt，每行一个（以换行结尾）。
  2. 用如下命令区分是否使用update_test_checks脚本生成断言：
$ while IFS= read -r f; do grep -q "Assertions have been autogenerated by" "$f" && echo "$f" >> update-checks-tests.txt || echo "$f" >> manual-tests.txt; done < failing-tests.txt
  1. 对于自动断言测试，分别运行：
$ xargs ./llvm/utils/update_test_checks.py --opt-binary ./build/bin/opt < update-checks-tests.txt
$ xargs ./llvm/utils/update_cc_test_checks.py --llvm-bin ./build/bin/ < update-checks-tests.txt
  1. 剩余测试需手动修正，对大量测试可用以下脚本辅助：

get-checks.sh 用于提取check-line前缀：

#!/bin/bash
for filename in "$@"
do
    echo "$filename,CHECK"
    allchecks=$(grep -Eo 'check-prefix(es)?[= ][A-Z0-9_,-]+' $filename | sed -E 's/.+[= ]([A-Z0-9_,-]+).*/\1/g; s/,/\n/g')
    for check in $allchecks; do
        echo "$filename,$check"
    done
done

substitute-checks.sh 用于执行批量替换：

#!/bin/bash
file="$1"
check="$2"
if grep -q "write-experimental-debuginfo=false" "$file"; then
    exit 0
fi
sed -i -E -e "
/(#|;|\/\/).*${check}[A-Z0-9_\-]*:/!b
/DIGlobalVariableExpression/b
/!llvm.dbg./bpostcall
s/((no|must)?tail )?call(.*)?void ?@?llvm\.?dbg\.([a-z]+)/#dbg_\4/
/declare #dbg_/d
s/metadata //g
s/metadata\{/{/g
s/DIExpression\(([^)]*)\)\)(,(!dbg)?)?/DIExpression(\1),/
/#dbg_/!b
s/(\))?(, ?)!dbg (!\[0-9\]+)/\3\4\2/
s/(\))?(, ))?!dbg/\3/
" "$file"

结合使用上述脚本：

$ cat manual-tests.txt | xargs ./get-checks.sh | sort | uniq | awk -F ',' '{ system("./substitute-checks.sh " $1 " " $2) }'

上述脚本能批量修正clang/test和llvm/test中的测试用例。

  1. 检查修正后的测试是否通过：
$ xargs ./build/bin/llvm-lit -q < failing-tests.txt
***************
Failed Tests (5):
LLVM :: DebugInfo/Generic/dbg-value-lower-linenos.ll
LLVM :: Transforms/HotColdSplit/transfer-debug-info.ll
LLVM :: Transforms/ObjCARC/basic.ll
LLVM :: Transforms/ObjCARC/ensure-that-exception-unwind-path-is-visited.ll
LLVM :: Transforms/SafeStack/X86/debug-loc2.ll
Total Discovered Tests: 295
Failed: 5 (1.69%)
  1. 如果仍有某些测试未能自动修正，说明脚本无法覆盖其上下文。这些需手动处理或继续编写脚本补充。

C-API 变更

有些API函数已新增但属于过渡期临时接口，将来会废弃。它们主要帮助下游项目完成迁移。

已删除的函数

  • LLVMDIBuilderInsertDeclareBefore # 旧接口，已删除
  • LLVMDIBuilderInsertDeclareAtEnd # 同上
  • LLVMDIBuilderInsertDbgValueBefore # 同上
  • LLVMDIBuilderInsertDbgValueAtEnd # 同上

新增（未来会废弃）

  • LLVMIsNewDbgInfoFormat # 判断模块是否采用新调试信息格式
  • LLVMSetIsNewDbgInfoFormat # 切换调试信息格式

新增（不准备废弃）

  • LLVMGetFirstDbgRecord
  • LLVMGetLastDbgRecord
  • LLVMGetNextDbgRecord
  • LLVMGetPreviousDbgRecord
  • LLVMDIBuilderInsertDeclareRecordBefore
  • LLVMDIBuilderInsertDeclareRecordAtEnd
  • LLVMDIBuilderInsertDbgValueRecordBefore
  • LLVMDIBuilderInsertDbgValueRecordAtEnd
  • LLVMPositionBuilderBeforeDbgRecords
  • LLVMPositionBuilderBeforeInstrAndDbgRecords

LLVMDIBuilderInsertDeclareRecordBefore、LLVMDIBuilderInsertDeclareRecordAtEnd、LLVMDIBuilderInsertDbgValueRecordBefore、LLVMDIBuilderInsertDbgValueRecordAtEnd 用于替代被删除的插入调试信息相关接口。

LLVMPositionBuilderBeforeDbgRecords 和 LLVMPositionBuilderBeforeInstrAndDbgRecords 类似于老的LLVMPositionBuilder/LLVMPositionBuilderBefore，但能够在目标指令之前的调试记录前定位插入位置。注意，这些函数只针对调试记录（非指令的），调试内在（intrinsics）不会被跳过。

如果你不确定该用哪个函数，有个简单原则：如果要插入到块头，或者明确要跳过调试内在，再用新接口。

LLVMGetFirstDbgRecord、LLVMGetLastDbgRecord、LLVMGetNextDbgRecord 和 LLVMGetPreviousDbgRecord 可用于遍历绑定在某条指令（LLVMValueRef）上的调试记录：

C代码示意：

LLVMDbgRecordRef DbgRec;
for (DbgRec = LLVMGetFirstDbgRecord(Inst); DbgRec;
     DbgRec = LLVMGetNextDbgRecord(DbgRec)) {
  // do something with DbgRec
}

LLVMDbgRecordRef DbgRec;
for (DbgRec = LLVMGetLastDbgRecord(Inst); DbgRec;
     DbgRec = LLVMGetPreviousDbgRecord(DbgRec)) {
  // do something with DbgRec
}

新“调试记录”模型

下述为新调试记录取代调试内在的简要说明，详细的更新指导见这里。

究竟用什么替换了调试内在？

我们引入了专用的C++类 DbgRecord 存储调试信息，每个旧有调试内在都严格一一对应一个 DbgRecord 实例，IR里表现为非指令类型的“调试记录”。该类有多个子类，存储与旧有调试内在完全相同的信息，方法集合几乎一样：

通常你可以使用 DbgVariableRecord 就像处理 dbg.value/dbg.declare/dbg.assign 形式的内在一样，对调试标签也同理。

DbgRecord 如何与指令流结合？

示意图如下：

             +---------------+          +---------------+

---------------->| Instruction ±-------->| Instruction |
±------±------+ ±--------------+
|
|
|
|
v
±------------+
<-------+ DbgMarker |<-------
/ ±------------+
/
/
v ^
±------------+ ±------------+ ±------------+
| DbgRecord ±–>| DbgRecord ±->| DbgRecord |
±------------+ ±------------+ ±------------+

每一条指令拥有一个指向 DbgMarker 的指针（未来可选），后者保存了该指令的调试记录列表。调试记录不再出现在指令表中。DbgRecord 拥有指向所属 DbgMarker 的parent指针，DbgMarker 指向所属指令。

未绘出的还有 DbgRecord 到更广泛Value/Metadata的链接：DbgRecord 子类通过 TrackingMetadata 等机制追踪DIMetadata，DbgVariableRecord通过DebugValueUser基类指向相关Value。各种调试内在现在归为一组 DbgRecord 子类，用“RecordKind”区分变量、标签等；DbgVariableRecord 的 “LocationType” 字段则能进一步区分不同的变量内在。

如何更新已有代码

任何处理调试内在的代码都需要升级以支持调试记录。几个关键规则：

  • 正常遍历基本块指令将自动略过调试记录。要访问出现在指令之前的调试记录，请用Instruction::getDbgRecordRange()。
  • 调试记录的接口与调试内在完全一致，只有Instruction/CallInst 特有方法，以及isa/cast/dyn_cast 需由 DbgRecord 自己提供。
  • 同一个模块不能同时存在调试内在和调试记录。调试记录是未来方向，推荐优先支持。
  • 在尚未彻底弃用调试内在之前，如果无法立刻改造某代码，也可以调用Module::setIsNewDbgInfoFormat 转换格式后再处理。而这种切换在函数或模块级可以用 ScopedDbgInfoFormatSetter 完成：
void handleModule(Module &M) {
  {
    ScopedDbgInfoFormatSetter FormatSetter(M, false);
    handleModuleWithDebugIntrinsics(M);
  }
  // 离开作用域后，模块恢复之前的调试格式
}

下面是典型模式的代码更新对照。

创建调试记录

新格式下，DIBuilder 会自动创建调试记录，也可以用 DbgRecord::clone 复制已有记录并未绑定。

跳过调试记录、忽略调试use、稳定计数指令等

一切都无需特殊处理，实现见下：

for (Instruction &I : BB) {
  // 旧写法：跳过调试内在
  if (isa<DbgInfoIntrinsic>(&I))
    continue;
  // 新写法：遍历自然就跳过调试记录
  ...
}

查找调试记录

如findDbgUsers等工具现在增加了可选参数用于返回指向DbgVariableRecord的集合。依然可以像处理内在那样处理对应的记录。

// 旧写法：
SmallVector<DbgVariableIntrinsic *> DbgUsers;
findDbgUsers(DbgUsers, V);
for (auto *DVI : DbgUsers) {
  if (DVI->getParent() != BB)
    DVI->replaceVariableLocationOp(V, New);
}
// 新写法：
SmallVector<DbgVariableIntrinsic *> DbgUsers;
SmallVector<DbgVariableRecord *> DVRUsers;
findDbgUsers(DbgUsers, V, &DVRUsers);
for (auto *DVI : DbgUsers)
  if (DVI->getParent() != BB)
    DVI->replaceVariableLocationOp(V, New);
for (auto *DVR : DVRUsers)
  if (DVR->getParent() != BB)
    DVR->replaceVariableLocationOp(V, New);

在指定位置查看调试记录

用 Instruction::getDbgRecordRange() 获得附在指令前的调试记录range。示例如下：

for (Instruction &I : BB) {
  // 旧写法
  if (DbgInfoIntrinsic *DII = dyn_cast<DbgInfoIntrinsic>(&I)) {
    recordDebugLocation(DII->getDebugLoc());
    continue;
  }
  // 新写法
  for (DbgRecord &DR : I.getDbgRecordRange()) {
    recordDebugLocation(DR.getDebugLoc());
  }
  processInstruction(I);
}

也可以用 filterDbgVars 仅遍历变量记录：

for (Instruction &I : BB) {
  // 旧写法
  if (DbgVariableIntrinsic *DVI = dyn_cast<DbgVariableIntrinsic>(&I)) {
    recordVariable(DVI->getVariable());
    if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(DVI))
      recordDeclareAddress(DDI->getAddress());
    continue;
  }
  // 新写法
  for (DbgVariableRecord &DVR : filterDbgVars(I.getDbgRecordRange())) {
    recordVariable(DVR.getVariable());
    if (DVR.isDbgDeclare())
      recordDeclareAddress(DVR.getAddress());
  }
}

单独处理调试记录

建议用c++模板或自动lambda统一处理指令和调试记录，但注意isa/cast/dyn_cast不可直接用于DbgRecord，需要新实现：

DbgDeclareInst *DynCastToDeclare(DbgVariableIntrinsic *DVI) {
  return dyn_cast<DbgDeclareInst>(DVI);
}
DbgVariableRecord *DynCastToDeclare(DbgVariableRecord *DVR) {
  return DVR->isDbgDeclare() ? DVR : nullptr;
}

template<typename DbgVarTy, typename DbgDeclTy>
void processDbgVariable(DbgVarTy *DbgVar, SmallVectorImpl<DbgDeclTy*> &Declares) {
    processVariableValue(DebugVariable(DbgVar), DbgVar->getValue());
    if (DbgDeclTy *DbgDeclare = DynCastToDeclare(DbgVar))
      Declares.push_back(DbgDeclare);
    else if (!isa<Constant>(DbgVar->getValue()))
      DbgVar->setKillLocation();
};

void processDbgInfoInBlock(BasicBlock &BB,
                           SmallVectorImpl<DbgDeclareInst*> &DeclareIntrinsics,
                           SmallVectorImpl<DbgVariableRecord*> &DeclareRecords) {
  for (Instruction &I : BB) {
    if (DbgVariableIntrinsic *DVI = dyn_cast<DbgVariableIntrinsic>(&I))
      processDbgVariable(DVI, DeclareIntrinsics);
    for (DbgVariableRecord *DVR : filterDbgVars(I.getDbgRecordRange()))
      processDbgVariable(DVR, DeclareRecords);
  }
}

移动或删除调试记录

DbgRecord::removeFromParent 解除与 DbgMarker 的关联，
然后用BasicBlock::insertDbgRecordBefore或BasicBlock::insertDbgRecordAfter重新插入到指定位置。
删除则调用eraseFromParent。

如下例：

// 旧写法
void moveDbgIntrinsicToStart(DbgVariableIntrinsic *DVI) {
  BasicBlock *ParentBB = DVI->getParent();
  DVI->removeFromParent();
  for (Instruction &I : ParentBB) {
    if (auto *BlockDVI = dyn_cast<DbgVariableIntrinsic>(&I))
      if (BlockDVI->getVariable() == DVI->getVariable())
        BlockDVI->eraseFromParent();
  }
  DVI->insertBefore(ParentBB->getFirstInsertionPt());
}
// 新写法
void moveDbgRecordToStart(DbgVariableRecord *DVR) {
  BasicBlock *ParentBB = DVR->getParent();
  DVR->removeFromParent();
  for (Instruction &I : ParentBB) {
    for (auto &BlockDVR : filterDbgVars(I.getDbgRecordRange()))
      if (BlockDVR->getVariable() == DVR->getVariable())
        BlockDVR->eraseFromParent();
  }
  DVR->insertBefore(ParentBB->getFirstInsertionPt());
}

孤立调试记录怎么办？

类似如下IR片段：

foo:
  %bar = add i32 %baz...
  dbg.value(metadata i32 %bar, ...)
  br label %xyzzy

你的优化pass可能会删除终结指令（terminator），然后处理此块。过去这种情况下，调试内在依附在指令上非常容易。但调试记录不属于指令，如果末尾没有指令可依附，调试记录会暂时存储在LLVMContext一个map里，待有新终结指令插入or其它操作发生时再复位到正确位置。

极少数情况下，如果删除了终结指令后又删除整个块，可能造成麻烦（官方建议不要这么做）。

还有其它注意点吗？

本文并未穷尽一切调试内在相关代码模式；如开头所述（参考指南），你可在必要时临时在模块上切换回指令内在格式进行修复。绝大多数对调试内在的操作都有等价于调试记录的实现，例外情况可参考 相关类文档，或查找现有代码库的例子，如有疑问亦可到 LLVM论坛 求助。

原文地址：https://llvm.org/docs/RemoveDIsDebugInfo.html

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