[InstCombine] Add new rule for MIN(MAX(~A, ~B), ~C) et. al.
[oota-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMPass.rst
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
4
5 .. contents::
6     :local:
7
8 Introduction --- What is a pass?
9 ================================
10
11 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
12 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
13 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
14 build the analysis results that are used by these transformations, and they
15 are, above all, a structuring technique for compiler code.
16
17 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
18 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
19 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
20 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
21 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
22 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
23 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
24 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
25 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>`, or :ref:`BasicBlockPass
26 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>` classes, which gives the system more
27 information about what your pass does, and how it can be combined with other
28 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
29 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
30 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
31
32 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
33 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
34 advanced features are discussed.
35
36 Quick Start --- Writing hello world
37 ===================================
38
39 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
40 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
41 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
42 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
43 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
44
45 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
46
47 Setting up the build environment
48 --------------------------------
49
50 .. FIXME: Why does this recommend to build in-tree?
51
52 First, configure and build LLVM.  This needs to be done directly inside the
53 LLVM source tree rather than in a separate objects directory.  Next, you need
54 to create a new directory somewhere in the LLVM source base.  For this example,
55 we'll assume that you made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up
56 a build script (``Makefile``) that will compile the source code for the new
57 pass.  To do this, copy the following into ``Makefile``:
58
59 .. code-block:: make
60
61     # Makefile for hello pass
62
63     # Path to top level of LLVM hierarchy
64     LEVEL = ../../..
65
66     # Name of the library to build
67     LIBRARYNAME = Hello
68
69     # Make the shared library become a loadable module so the tools can
70     # dlopen/dlsym on the resulting library.
71     LOADABLE_MODULE = 1
72
73     # Include the makefile implementation stuff
74     include $(LEVEL)/Makefile.common
75
76 This makefile specifies that all of the ``.cpp`` files in the current directory
77 are to be compiled and linked together into a shared object
78 ``$(LEVEL)/Debug+Asserts/lib/Hello.so`` that can be dynamically loaded by the
79 :program:`opt` or :program:`bugpoint` tools via their :option:`-load` options.
80 If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as Windows or Mac
81 OS X), the appropriate extension will be used.
82
83 If you are used CMake to build LLVM, see :ref:`cmake-out-of-source-pass`.
84
85 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
86 the pass itself.
87
88 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
89
90 Basic code required
91 -------------------
92
93 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
94 Start out with:
95
96 .. code-block:: c++
97
98   #include "llvm/Pass.h"
99   #include "llvm/IR/Function.h"
100   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
101
102 Which are needed because we are writing a `Pass
103 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
104 `Function <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
105 be doing some printing.
106
107 Next we have:
108
109 .. code-block:: c++
110
111   using namespace llvm;
112
113 ... which is required because the functions from the include files live in the
114 llvm namespace.
115
116 Next we have:
117
118 .. code-block:: c++
119
120   namespace {
121
122 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
123 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
124 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
125 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
126 information.
127
128 Next, we declare our pass itself:
129
130 .. code-block:: c++
131
132   struct Hello : public FunctionPass {
133
134 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of :ref:`FunctionPass
135 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
136 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
137 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
138
139 .. code-block:: c++
140
141     static char ID;
142     Hello() : FunctionPass(ID) {}
143
144 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
145 to avoid using expensive C++ runtime information.
146
147 .. code-block:: c++
148
149       bool runOnFunction(Function &F) override {
150         errs() << "Hello: ";
151         errs().write_escaped(F.getName()) << "\n";
152         return false;
153       }
154     }; // end of struct Hello
155   }  // end of anonymous namespace
156
157 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
158 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
159 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
160 thing, so we just print out our message with the name of each function.
161
162 .. code-block:: c++
163
164   char Hello::ID = 0;
165
166 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
167 initialization value is not important.
168
169 .. code-block:: c++
170
171   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
172                                false /* Only looks at CFG */,
173                                false /* Analysis Pass */);
174
175 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
176 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
177 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
178 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
179 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
180 the fourth argument.
181
182 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
183
184 .. code-block:: c++
185
186     #include "llvm/Pass.h"
187     #include "llvm/IR/Function.h"
188     #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
189
190     using namespace llvm;
191
192     namespace {
193       struct Hello : public FunctionPass {
194         static char ID;
195         Hello() : FunctionPass(ID) {}
196
197         bool runOnFunction(Function &F) override {
198           errs() << "Hello: ";
199           errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
200           return false;
201         }
202       };
203     }
204
205     char Hello::ID = 0;
206     static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass", false, false);
207
208 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
209 in the local directory and you should get a new file
210 "``Debug+Asserts/lib/Hello.so``" under the top level directory of the LLVM
211 source tree (not in the local directory).  Note that everything in this file is
212 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
213 are self contained units that do not need external interfaces (although they
214 can have them) to be useful.
215
216 Running a pass with ``opt``
217 ---------------------------
218
219 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
220 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
221 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
222 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
223
224 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
225 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
226 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
227 will work):
228
229 .. code-block:: console
230
231   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello < hello.bc > /dev/null
232   Hello: __main
233   Hello: puts
234   Hello: main
235
236 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
237 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
238 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
239 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
240 the program in any interesting way, we just throw away the result of
241 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
242
243 To see what happened to the other string you registered, try running
244 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
245
246 .. code-block:: console
247
248   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -help
249   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer
250
251   USAGE: opt [options] <input bitcode>
252
253   OPTIONS:
254     Optimizations available:
255   ...
256       -globalopt                - Global Variable Optimizer
257       -globalsmodref-aa         - Simple mod/ref analysis for globals
258       -gvn                      - Global Value Numbering
259       -hello                    - Hello World Pass
260       -indvars                  - Induction Variable Simplification
261       -inline                   - Function Integration/Inlining
262   ...
263
264 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
265 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
266 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
267 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
268 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
269 nice command line option (:option:`--time-passes`) that allows you to get
270 information about the execution time of your pass along with the other passes
271 you queue up.  For example:
272
273 .. code-block:: console
274
275   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
276   Hello: __main
277   Hello: puts
278   Hello: main
279   ===============================================================================
280                         ... Pass execution timing report ...
281   ===============================================================================
282     Total Execution Time: 0.02 seconds (0.0479059 wall clock)
283
284      ---User Time---   --System Time--   --User+System--   ---Wall Time---  --- Pass Name ---
285      0.0100 (100.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0402 ( 84.0%)  Bitcode Writer
286      0.0000 (  0.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0031 (  6.4%)  Dominator Set Construction
287      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0013 (  2.7%)  Module Verifier
288      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0033 (  6.9%)  Hello World Pass
289      0.0100 (100.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0200 (100.0%)   0.0479 (100.0%)  TOTAL
290
291 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
292 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
293 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
294 hasn't been broken somehow.
295
296 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
297 about some more details of how they work and how to use them.
298
299 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
300
301 Pass classes and requirements
302 =============================
303
304 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
305 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
306 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
307 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
308 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
309 available, from the most general to the most specific.
310
311 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
312 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
313 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
314 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
315 slow.
316
317 The ``ImmutablePass`` class
318 ---------------------------
319
320 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
321 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
322 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
323 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
324 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
325
326 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
327 providing information about the current target machine being compiled for, and
328 other static information that can affect the various transformations.
329
330 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
331 invalidated, and are never "run".
332
333 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
334
335 The ``ModulePass`` class
336 ------------------------
337
338 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
339 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
340 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
341 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
342 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
343 subclasses, no optimization can be done for their execution.
344
345 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
346 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
347 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
348 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
349 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
350 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
351 declarations.
352
353 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
354 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
355
356 The ``runOnModule`` method
357 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
358
359 .. code-block:: c++
360
361   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
362
363 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
364 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
365 ``false`` otherwise.
366
367 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
368
369 The ``CallGraphSCCPass`` class
370 ------------------------------
371
372 The `CallGraphSCCPass
373 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
374 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
375 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
376 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
377 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
378 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
379 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
380 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
381 ``CallGraphSCCPass``.
382
383 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
384
385 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
386
387 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
388    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
389 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
390    reflect any changes made to the program.
391 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
392    they may change the contents of an SCC.
393 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
394 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
395    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
396
397 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
398 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
399 described below should return ``true`` if they modified the program, or
400 ``false`` if they didn't.
401
402 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
403 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
404
405 .. code-block:: c++
406
407   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
408
409 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
410 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
411 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
412 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
413 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
414 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
415
416 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
417
418 The ``runOnSCC`` method
419 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
420
421 .. code-block:: c++
422
423   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
424
425 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
426 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
427 otherwise.
428
429 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
430 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
431
432 .. code-block:: c++
433
434   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
435
436 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
437 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnSCC
438 <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` for every SCC in the program being compiled.
439
440 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
441
442 The ``FunctionPass`` class
443 --------------------------
444
445 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
446 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
447 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
448 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
449 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
450 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
451 external functions.
452
453 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
454
455 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
456 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
457 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
458 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnFunction
459    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
460
461 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
462 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
463 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
464 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
465 ``false`` if they didn't.
466
467 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
468
469 The ``doInitialization(Module &)`` method
470 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
471
472 .. code-block:: c++
473
474   virtual bool doInitialization(Module &M);
475
476 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
477 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
478 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
479 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
480 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
481 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
482
483 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
484 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
485 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
486 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
487 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
488 needs, adding prototypes to the module if necessary.
489
490 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
491
492 The ``runOnFunction`` method
493 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
494
495 .. code-block:: c++
496
497   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
498
499 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
500 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
501 should be returned if the function is modified.
502
503 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
504
505 The ``doFinalization(Module &)`` method
506 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
507
508 .. code-block:: c++
509
510   virtual bool doFinalization(Module &M);
511
512 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
513 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
514 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
515 compiled.
516
517 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
518
519 The ``LoopPass`` class
520 ----------------------
521
522 All ``LoopPass`` execute on each loop in the function independent of all of the
523 other loops in the function.  ``LoopPass`` processes loops in loop nest order
524 such that outer most loop is processed last.
525
526 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
527 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
528 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
529 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
530 if they didn't.
531
532 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
533 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
534
535 .. code-block:: c++
536
537   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
538
539 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
540 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
541 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
542 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
543 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
544
545 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
546
547 The ``runOnLoop`` method
548 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
549
550 .. code-block:: c++
551
552   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
553
554 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
555 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
556 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
557 should be used to update loop nest.
558
559 The ``doFinalization()`` method
560 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
561
562 .. code-block:: c++
563
564   virtual bool doFinalization();
565
566 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
567 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
568 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
569
570 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
571
572 The ``RegionPass`` class
573 ------------------------
574
575 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
576 but executes on each single entry single exit region in the function.
577 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
578 region is processed last.
579
580 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
581 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
582 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
583 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
584
585 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
586 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
587
588 .. code-block:: c++
589
590   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
591
592 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
593 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
594 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
595 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
596 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
597
598 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
599
600 The ``runOnRegion`` method
601 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
602
603 .. code-block:: c++
604
605   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
606
607 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
608 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
609 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
610 update region tree.
611
612 The ``doFinalization()`` method
613 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
614
615 .. code-block:: c++
616
617   virtual bool doFinalization();
618
619 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
620 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
621 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
622 compiled.
623
624 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
625
626 The ``BasicBlockPass`` class
627 ----------------------------
628
629 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
630 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
631 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
632 they are **not** allowed to do any of the following:
633
634 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
635 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
636    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
637 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
638 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
639    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
640
641 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
642 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
643 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
644 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
645 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
646 methods that may also be implemented:
647
648 The ``doInitialization(Function &)`` method
649 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
650
651 .. code-block:: c++
652
653   virtual bool doInitialization(Function &F);
654
655 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
656 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
657 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
658 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
659 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
660 pass executions (thus it should be very fast).
661
662 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
663
664 The ``runOnBasicBlock`` method
665 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
666
667 .. code-block:: c++
668
669   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
670
671 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
672 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
673 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
674 basic block is modified.
675
676 The ``doFinalization(Function &)`` method
677 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
678
679 .. code-block:: c++
680
681     virtual bool doFinalization(Function &F);
682
683 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
684 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
685 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
686 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
687
688 The ``MachineFunctionPass`` class
689 ---------------------------------
690
691 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
692 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
693
694 Code generator passes are registered and initialized specially by
695 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
696 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
697
698 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
699 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
700 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
701 are not allowed to do any of the following:
702
703 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
704    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
705    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
706 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
707 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
708    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
709
710 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
711
712 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
713 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
714
715 .. code-block:: c++
716
717   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
718
719 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
720 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
721 work of your ``MachineFunctionPass``.
722
723 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
724 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
725 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
726 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
727 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
728 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
729 ``MachineFunctionPass``.
730
731 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
732
733 Pass registration
734 -----------------
735
736 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
737 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
738 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
739 registered.
740
741 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
742 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
743 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
744 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
745 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
746 as for debug output generated by the :option:`--debug-pass` option.
747
748 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
749 print method:
750
751 The ``print`` method
752 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
753
754 .. code-block:: c++
755
756   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
757
758 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
759 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
760 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
761 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
762
763 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
764 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
765 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
766 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
767 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
768 depended on.
769
770 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
771
772 Specifying interactions between passes
773 --------------------------------------
774
775 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
776 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
777 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
778 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
779 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
780 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
781 which are invalidated by the current pass.
782
783 Typically this functionality is used to require that analysis results are
784 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
785 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
786 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
787 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
788 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
789
790 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
791
792 The ``getAnalysisUsage`` method
793 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
794
795 .. code-block:: c++
796
797   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
798
799 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
800 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
801 in the `AnalysisUsage
802 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
803 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
804 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
805
806 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
807 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
808
809 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
810 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
811 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
812 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
813 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
814 edges in the CFG when your pass has been run.
815
816 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
817 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
818 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
819 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
820 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
821 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
822
823 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
824 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
825
826 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
827 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
828 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
829 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
830 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
831 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
832 to invalidate all others.
833
834 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
835 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
836 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
837 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
838 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
839 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
840 instructions (note that this property is implicitly set for
841 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
842
843 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
844 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
845 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
846 fact that it hacks on the CFG.
847
848 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
849 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
850
851 .. code-block:: c++
852
853   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
854   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
855     AU.setPreservesCFG();
856     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
857   }
858
859 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
860
861 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
862 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
863
864 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
865 providing you with access to the passes that you declared that you required
866 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
867 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
868 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
869
870 .. code-block:: c++
871
872   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
873     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
874     //...
875   }
876
877 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
878 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
879 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
880 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
881 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
882 invoked by your ``run*`` method.
883
884 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
885 For example:
886
887 .. code-block:: c++
888
889   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
890     //...
891     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
892     //...
893   }
894
895 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
896 manager before returning a reference to the desired pass.
897
898 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
899 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
900 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
901 it is active.  For example:
902
903 .. code-block:: c++
904
905   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
906     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
907   }
908
909 Implementing Analysis Groups
910 ----------------------------
911
912 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
913 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
914 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
915 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
916 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
917 required.
918
919 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
920 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
921 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
922 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
923 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
924 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
925 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
926 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
927 Analysis Groups.
928
929 Analysis Group Concepts
930 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
931
932 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
933 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
934 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
935 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
936 the "default" implementation.
937
938 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
939 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
940 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
941 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
942 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
943 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
944 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
945 apply.
946
947 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
948 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
949 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
950 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
951 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
952 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
953 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
954
955 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
956 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
957 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
958 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
959 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
960 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
961 Passes that use the `AliasAnalysis
962 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
963 example the `gcse <http://llvm.org/doxygen/structGCSE.html>`_ pass), do not
964 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
965 the designated interface.
966
967 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
968 command ``opt -gcse ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
969 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gcse
970 ...`` will cause the ``gcse`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
971 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
972
973 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
974
975 Using ``RegisterAnalysisGroup``
976 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
977
978 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
979 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
980 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
981 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
982 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
983 itself, because it is "abstract":
984
985 .. code-block:: c++
986
987   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
988
989 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
990 implementations of the interface by using the following code:
991
992 .. code-block:: c++
993
994   namespace {
995     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
996     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
997         "A more complex alias analysis implementation",
998         false,  // Is CFG Only?
999         true,   // Is Analysis?
1000         false); // Is default Analysis Group implementation?
1001   }
1002
1003 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1004 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1005 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1006 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1007
1008 .. code-block:: c++
1009
1010   namespace {
1011     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1012     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1013         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1014         false, // Is CFG Only?
1015         true,  // Is Analysis?
1016         true); // Is default Analysis Group implementation?
1017   }
1018
1019 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1020 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1021 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1022 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1023 that the `BasicAliasAnalysis
1024 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1025 implementation for the interface.
1026
1027 Pass Statistics
1028 ===============
1029
1030 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`_ class is
1031 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1032 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1033 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1034 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1035
1036 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1037
1038 What PassManager does
1039 ---------------------
1040
1041 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h-source.html>`_ `class
1042 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1043 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1044 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1045 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1046
1047 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1048 series of passes:
1049
1050 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1051    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1052    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1053    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1054    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1055    results, allowing it to :ref:`free memory
1056    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1057    as soon as they are no longer needed.
1058
1059 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1060    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1061    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1062    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1063    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1064    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1065    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1066    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1067
1068    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1069    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1070    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1071    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1072    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1073    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1074    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1075
1076 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1077 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1078 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1079 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1080 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1081 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1082
1083 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1084 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1085 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1086 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1087 "``opt -help-hidden``").
1088
1089 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1090 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1091 passes.  Lets try it out with the gcse and licm passes:
1092
1093 .. code-block:: console
1094
1095   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1096   Module Pass Manager
1097     Function Pass Manager
1098       Dominator Set Construction
1099       Immediate Dominators Construction
1100       Global Common Subexpression Elimination
1101   --  Immediate Dominators Construction
1102   --  Global Common Subexpression Elimination
1103       Natural Loop Construction
1104       Loop Invariant Code Motion
1105   --  Natural Loop Construction
1106   --  Loop Invariant Code Motion
1107       Module Verifier
1108   --  Dominator Set Construction
1109   --  Module Verifier
1110     Bitcode Writer
1111   --Bitcode Writer
1112
1113 This output shows us when passes are constructed and when the analysis results
1114 are known to be dead (prefixed with "``--``").  Here we see that GCSE uses
1115 dominator and immediate dominator information to do its job.  The LICM pass
1116 uses natural loop information, which uses dominator sets, but not immediate
1117 dominators.  Because immediate dominators are no longer useful after the GCSE
1118 pass, it is immediately destroyed.  The dominator sets are then reused to
1119 compute natural loop information, which is then used by the LICM pass.
1120
1121 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1122 the :program:`opt` tool), which uses the dominator set to check that the
1123 resultant LLVM code is well formed.  After it finishes, the dominator set
1124 information is destroyed, after being computed once, and shared by three
1125 passes.
1126
1127 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1128 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1129
1130 .. code-block:: console
1131
1132   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1133   Module Pass Manager
1134     Function Pass Manager
1135       Dominator Set Construction
1136       Immediate Dominators Construction
1137       Global Common Subexpression Elimination
1138   --  Dominator Set Construction
1139   --  Immediate Dominators Construction
1140   --  Global Common Subexpression Elimination
1141       Hello World Pass
1142   --  Hello World Pass
1143       Dominator Set Construction
1144       Natural Loop Construction
1145       Loop Invariant Code Motion
1146   --  Natural Loop Construction
1147   --  Loop Invariant Code Motion
1148       Module Verifier
1149   --  Dominator Set Construction
1150   --  Module Verifier
1151     Bitcode Writer
1152   --Bitcode Writer
1153   Hello: __main
1154   Hello: puts
1155   Hello: main
1156
1157 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1158 has killed the Dominator Set pass, even though it doesn't modify the code at
1159 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1160 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1161
1162 .. code-block:: c++
1163
1164   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1165   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1166     AU.setPreservesAll();
1167   }
1168
1169 Now when we run our pass, we get this output:
1170
1171 .. code-block:: console
1172
1173   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1174   Pass Arguments:  -gcse -hello -licm
1175   Module Pass Manager
1176     Function Pass Manager
1177       Dominator Set Construction
1178       Immediate Dominators Construction
1179       Global Common Subexpression Elimination
1180   --  Immediate Dominators Construction
1181   --  Global Common Subexpression Elimination
1182       Hello World Pass
1183   --  Hello World Pass
1184       Natural Loop Construction
1185       Loop Invariant Code Motion
1186   --  Loop Invariant Code Motion
1187   --  Natural Loop Construction
1188       Module Verifier
1189   --  Dominator Set Construction
1190   --  Module Verifier
1191     Bitcode Writer
1192   --Bitcode Writer
1193   Hello: __main
1194   Hello: puts
1195   Hello: main
1196
1197 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1198 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1199
1200 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1201
1202 The ``releaseMemory`` method
1203 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1204
1205 .. code-block:: c++
1206
1207   virtual void releaseMemory();
1208
1209 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1210 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1211 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1212 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1213 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1214
1215 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1216 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1217 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1218 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1219 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1220 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1221
1222 Registering dynamically loaded passes
1223 =====================================
1224
1225 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1226 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1227 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1228 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1229 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1230 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1231
1232 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1233 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1234
1235 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1236 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1237 communicates additions and deletions to the command line interface.
1238
1239 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1240 information provided about a particular pass.  This information includes the
1241 command line name, the command help string and the address of the function used
1242 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1243 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1244 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1245 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1246 load and unregister at unload.
1247
1248 Using existing registries
1249 -------------------------
1250
1251 There are predefined registries to track instruction scheduling
1252 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1253 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1254 pass.
1255
1256 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1257 ``.cpp`` file add the following include:
1258
1259 .. code-block:: c++
1260
1261   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1262
1263 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1264 form:
1265
1266 .. code-block:: c++
1267
1268   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1269     return new MyRegisterAllocator();
1270   }
1271
1272 Note that the signature of this function should match the type of
1273 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1274 declaration, in the form:
1275
1276 .. code-block:: c++
1277
1278   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1279                                      "my register allocator help string",
1280                                      createMyRegisterAllocator);
1281
1282 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1283 :option:`-help` query.
1284
1285 .. code-block:: console
1286
1287   $ llc -help
1288     ...
1289     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1290       =linearscan                -   linear scan register allocator
1291       =local                     -   local register allocator
1292       =simple                    -   simple register allocator
1293       =myregalloc                -   my register allocator help string
1294     ...
1295
1296 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1297 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1298 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1299 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1300 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1301
1302 To force the load/linking of your register allocator into the
1303 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1304 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1305 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1306
1307 Creating new registries
1308 -----------------------
1309
1310 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1311 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1312 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1313
1314 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1315 ``RegisterMyPasses`` then define:
1316
1317 .. code-block:: c++
1318
1319   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1320
1321 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1322
1323 .. code-block:: c++
1324
1325   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1326           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1327   MyPassOpt("mypass",
1328             cl::init(&createDefaultMyPass),
1329             cl::desc("my pass option help"));
1330
1331 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1332 default creator.
1333
1334 Using GDB with dynamically loaded passes
1335 ----------------------------------------
1336
1337 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1338 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1339 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1340 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1341 with GDB.
1342
1343 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1344 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1345 depends on that.
1346
1347 Setting a breakpoint in your pass
1348 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1349
1350 First thing you do is start gdb on the opt process:
1351
1352 .. code-block:: console
1353
1354   $ gdb opt
1355   GNU gdb 5.0
1356   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1357   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1358   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1359   Type "show copying" to see the conditions.
1360   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1361   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1362   (gdb)
1363
1364 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1365 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1366 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1367 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1368 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1369 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1370
1371 .. code-block:: console
1372
1373   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1374   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1375   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1376   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1377   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1378   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1379   (gdb)
1380
1381 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1382 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1383 do other standard debugging stuff.
1384
1385 Miscellaneous Problems
1386 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1387
1388 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1389 some with solutions, some without.
1390
1391 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1392   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1393   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1394   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1395   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1396
1397 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1398   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1399   Nex thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1400   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1401   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1402   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1403   execution stops in ``PassManager::run``.
1404
1405 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1406 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1407 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1408
1409 Future extensions planned
1410 -------------------------
1411
1412 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1413 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1414 where we are going:
1415
1416 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1417
1418 Multithreaded LLVM
1419 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1420
1421 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1422 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1423 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1424 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1425 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1426 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1427 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1428
1429 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1430 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1431 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1432 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1433 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.
1434