039b8d77521fc826f70044031e82788cadeb5c4e
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / LazyCallGraph.h
1 //===- LazyCallGraph.h - Analysis of a Module's call graph ------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 /// \file
10 ///
11 /// Implements a lazy call graph analysis and related passes for the new pass
12 /// manager.
13 ///
14 /// NB: This is *not* a traditional call graph! It is a graph which models both
15 /// the current calls and potential calls. As a consequence there are many
16 /// edges in this call graph that do not correspond to a 'call' or 'invoke'
17 /// instruction.
18 ///
19 /// The primary use cases of this graph analysis is to facilitate iterating
20 /// across the functions of a module in ways that ensure all callees are
21 /// visited prior to a caller (given any SCC constraints), or vice versa. As
22 /// such is it particularly well suited to organizing CGSCC optimizations such
23 /// as inlining, outlining, argument promotion, etc. That is its primary use
24 /// case and motivates the design. It may not be appropriate for other
25 /// purposes. The use graph of functions or some other conservative analysis of
26 /// call instructions may be interesting for optimizations and subsequent
27 /// analyses which don't work in the context of an overly specified
28 /// potential-call-edge graph.
29 ///
30 /// To understand the specific rules and nature of this call graph analysis,
31 /// see the documentation of the \c LazyCallGraph below.
32 ///
33 //===----------------------------------------------------------------------===//
34
35 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
36 #define LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
37
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PointerUnion.h"
40 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
44 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
45 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
46 #include "llvm/IR/Function.h"
47 #include "llvm/IR/Module.h"
48 #include "llvm/Support/Allocator.h"
49 #include <iterator>
50
51 namespace llvm {
52 class ModuleAnalysisManager;
53 class PreservedAnalyses;
54 class raw_ostream;
55
56 /// \brief A lazily constructed view of the call graph of a module.
57 ///
58 /// With the edges of this graph, the motivating constraint that we are
59 /// attempting to maintain is that function-local optimization, CGSCC-local
60 /// optimizations, and optimizations transforming a pair of functions connected
61 /// by an edge in the graph, do not invalidate a bottom-up traversal of the SCC
62 /// DAG. That is, no optimizations will delete, remove, or add an edge such
63 /// that functions already visited in a bottom-up order of the SCC DAG are no
64 /// longer valid to have visited, or such that functions not yet visited in
65 /// a bottom-up order of the SCC DAG are not required to have already been
66 /// visited.
67 ///
68 /// Within this constraint, the desire is to minimize the merge points of the
69 /// SCC DAG. The greater the fanout of the SCC DAG and the fewer merge points
70 /// in the SCC DAG, the more independence there is in optimizing within it.
71 /// There is a strong desire to enable parallelization of optimizations over
72 /// the call graph, and both limited fanout and merge points will (artificially
73 /// in some cases) limit the scaling of such an effort.
74 ///
75 /// To this end, graph represents both direct and any potential resolution to
76 /// an indirect call edge. Another way to think about it is that it represents
77 /// both the direct call edges and any direct call edges that might be formed
78 /// through static optimizations. Specifically, it considers taking the address
79 /// of a function to be an edge in the call graph because this might be
80 /// forwarded to become a direct call by some subsequent function-local
81 /// optimization. The result is that the graph closely follows the use-def
82 /// edges for functions. Walking "up" the graph can be done by looking at all
83 /// of the uses of a function.
84 ///
85 /// The roots of the call graph are the external functions and functions
86 /// escaped into global variables. Those functions can be called from outside
87 /// of the module or via unknowable means in the IR -- we may not be able to
88 /// form even a potential call edge from a function body which may dynamically
89 /// load the function and call it.
90 ///
91 /// This analysis still requires updates to remain valid after optimizations
92 /// which could potentially change the set of potential callees. The
93 /// constraints it operates under only make the traversal order remain valid.
94 ///
95 /// The entire analysis must be re-computed if full interprocedural
96 /// optimizations run at any point. For example, globalopt completely
97 /// invalidates the information in this analysis.
98 ///
99 /// FIXME: This class is named LazyCallGraph in a lame attempt to distinguish
100 /// it from the existing CallGraph. At some point, it is expected that this
101 /// will be the only call graph and it will be renamed accordingly.
102 class LazyCallGraph {
103 public:
104   class Node;
105   class SCC;
106   typedef SmallVector<PointerUnion<Function *, Node *>, 4> NodeVectorT;
107   typedef SmallVectorImpl<PointerUnion<Function *, Node *>> NodeVectorImplT;
108
109   /// \brief A lazy iterator used for both the entry nodes and child nodes.
110   ///
111   /// When this iterator is dereferenced, if not yet available, a function will
112   /// be scanned for "calls" or uses of functions and its child information
113   /// will be constructed. All of these results are accumulated and cached in
114   /// the graph.
115   class iterator : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, Node> {
116     friend class LazyCallGraph;
117     friend class LazyCallGraph::Node;
118
119     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
120     struct IsAtEndT {};
121
122     LazyCallGraph *G;
123     NodeVectorImplT::iterator NI;
124
125     // Build the begin iterator for a node.
126     explicit iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes)
127         : G(&G), NI(Nodes.begin()) {}
128
129     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
130     iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes, IsAtEndT /*Nonce*/)
131         : G(&G), NI(Nodes.end()) {}
132
133   public:
134     bool operator==(const iterator &Arg) const { return NI == Arg.NI; }
135     bool operator!=(const iterator &Arg) const { return !operator==(Arg); }
136
137     reference operator*() const {
138       if (NI->is<Node *>())
139         return *NI->get<Node *>();
140
141       Function *F = NI->get<Function *>();
142       Node &ChildN = G->get(*F);
143       *NI = &ChildN;
144       return ChildN;
145     }
146     pointer operator->() const { return &operator*(); }
147
148     iterator &operator++() {
149       ++NI;
150       return *this;
151     }
152     iterator operator++(int) {
153       iterator prev = *this;
154       ++*this;
155       return prev;
156     }
157
158     iterator &operator--() {
159       --NI;
160       return *this;
161     }
162     iterator operator--(int) {
163       iterator next = *this;
164       --*this;
165       return next;
166     }
167   };
168
169   /// \brief A node in the call graph.
170   ///
171   /// This represents a single node. It's primary roles are to cache the list of
172   /// callees, de-duplicate and provide fast testing of whether a function is
173   /// a callee, and facilitate iteration of child nodes in the graph.
174   class Node {
175     friend class LazyCallGraph;
176     friend class LazyCallGraph::SCC;
177
178     LazyCallGraph *G;
179     Function &F;
180
181     // We provide for the DFS numbering and Tarjan walk lowlink numbers to be
182     // stored directly within the node.
183     int DFSNumber;
184     int LowLink;
185
186     mutable NodeVectorT Callees;
187     DenseMap<Function *, size_t> CalleeIndexMap;
188
189     /// \brief Basic constructor implements the scanning of F into Callees and
190     /// CalleeIndexMap.
191     Node(LazyCallGraph &G, Function &F);
192
193   public:
194     typedef LazyCallGraph::iterator iterator;
195
196     Function &getFunction() const {
197       return F;
198     };
199
200     iterator begin() const { return iterator(*G, Callees); }
201     iterator end() const { return iterator(*G, Callees, iterator::IsAtEndT()); }
202
203     /// Equality is defined as address equality.
204     bool operator==(const Node &N) const { return this == &N; }
205     bool operator!=(const Node &N) const { return !operator==(N); }
206   };
207
208   /// \brief An SCC of the call graph.
209   ///
210   /// This represents a Strongly Connected Component of the call graph as
211   /// a collection of call graph nodes. While the order of nodes in the SCC is
212   /// stable, it is not any particular order.
213   class SCC {
214     friend class LazyCallGraph;
215     friend class LazyCallGraph::Node;
216
217     SmallSetVector<SCC *, 1> ParentSCCs;
218     SmallVector<Node *, 1> Nodes;
219     SmallPtrSet<Function *, 1> NodeSet;
220
221     SCC() {}
222
223     void removeEdge(LazyCallGraph &G, Function &Caller, Function &Callee,
224                     SCC &CalleeC);
225
226     SmallVector<LazyCallGraph::SCC *, 1>
227     removeInternalEdge(LazyCallGraph &G, Node &Caller, Node &Callee);
228
229   public:
230     typedef SmallVectorImpl<Node *>::const_iterator iterator;
231     typedef SmallSetVector<SCC *, 1>::const_iterator parent_iterator;
232
233     iterator begin() const { return Nodes.begin(); }
234     iterator end() const { return Nodes.end(); }
235
236     parent_iterator parent_begin() const { return ParentSCCs.begin(); }
237     parent_iterator parent_end() const { return ParentSCCs.end(); }
238
239     iterator_range<parent_iterator> parents() const {
240       return iterator_range<parent_iterator>(parent_begin(), parent_end());
241     }
242   };
243
244   /// \brief A post-order depth-first SCC iterator over the call graph.
245   ///
246   /// This iterator triggers the Tarjan DFS-based formation of the SCC DAG for
247   /// the call graph, walking it lazily in depth-first post-order. That is, it
248   /// always visits SCCs for a callee prior to visiting the SCC for a caller
249   /// (when they are in different SCCs).
250   class postorder_scc_iterator
251       : public std::iterator<std::forward_iterator_tag, SCC> {
252     friend class LazyCallGraph;
253     friend class LazyCallGraph::Node;
254
255     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
256     struct IsAtEndT {};
257
258     LazyCallGraph *G;
259     SCC *C;
260
261     // Build the begin iterator for a node.
262     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G) : G(&G) {
263       C = G.getNextSCCInPostOrder();
264     }
265
266     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
267     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G, IsAtEndT /*Nonce*/)
268         : G(&G), C(nullptr) {}
269
270   public:
271     bool operator==(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
272       return G == Arg.G && C == Arg.C;
273     }
274     bool operator!=(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
275       return !operator==(Arg);
276     }
277
278     reference operator*() const { return *C; }
279     pointer operator->() const { return &operator*(); }
280
281     postorder_scc_iterator &operator++() {
282       C = G->getNextSCCInPostOrder();
283       return *this;
284     }
285     postorder_scc_iterator operator++(int) {
286       postorder_scc_iterator prev = *this;
287       ++*this;
288       return prev;
289     }
290   };
291
292   /// \brief Construct a graph for the given module.
293   ///
294   /// This sets up the graph and computes all of the entry points of the graph.
295   /// No function definitions are scanned until their nodes in the graph are
296   /// requested during traversal.
297   LazyCallGraph(Module &M);
298
299   LazyCallGraph(LazyCallGraph &&G);
300   LazyCallGraph &operator=(LazyCallGraph &&RHS);
301
302   iterator begin() { return iterator(*this, EntryNodes); }
303   iterator end() { return iterator(*this, EntryNodes, iterator::IsAtEndT()); }
304
305   postorder_scc_iterator postorder_scc_begin() {
306     return postorder_scc_iterator(*this);
307   }
308   postorder_scc_iterator postorder_scc_end() {
309     return postorder_scc_iterator(*this, postorder_scc_iterator::IsAtEndT());
310   }
311
312   iterator_range<postorder_scc_iterator> postorder_sccs() {
313     return iterator_range<postorder_scc_iterator>(postorder_scc_begin(),
314                                                   postorder_scc_end());
315   }
316
317   /// \brief Lookup a function in the graph which has already been scanned and
318   /// added.
319   Node *lookup(const Function &F) const { return NodeMap.lookup(&F); }
320
321   /// \brief Lookup a function's SCC in the graph.
322   ///
323   /// \returns null if the function hasn't been assigned an SCC via the SCC
324   /// iterator walk.
325   SCC *lookupSCC(Node &N) const { return SCCMap.lookup(&N); }
326
327   /// \brief Get a graph node for a given function, scanning it to populate the
328   /// graph data as necessary.
329   Node &get(Function &F) {
330     Node *&N = NodeMap[&F];
331     if (N)
332       return *N;
333
334     return insertInto(F, N);
335   }
336
337   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
338   void removeEdge(Node &Caller, Function &Callee);
339
340   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
341   void removeEdge(Function &Caller, Function &Callee) {
342     return removeEdge(get(Caller), Callee);
343   }
344
345 private:
346   /// \brief Allocator that holds all the call graph nodes.
347   SpecificBumpPtrAllocator<Node> BPA;
348
349   /// \brief Maps function->node for fast lookup.
350   DenseMap<const Function *, Node *> NodeMap;
351
352   /// \brief The entry nodes to the graph.
353   ///
354   /// These nodes are reachable through "external" means. Put another way, they
355   /// escape at the module scope.
356   NodeVectorT EntryNodes;
357
358   /// \brief Map of the entry nodes in the graph to their indices in
359   /// \c EntryNodes.
360   DenseMap<Function *, size_t> EntryIndexMap;
361
362   /// \brief Allocator that holds all the call graph SCCs.
363   SpecificBumpPtrAllocator<SCC> SCCBPA;
364
365   /// \brief Maps Function -> SCC for fast lookup.
366   DenseMap<Node *, SCC *> SCCMap;
367
368   /// \brief The leaf SCCs of the graph.
369   ///
370   /// These are all of the SCCs which have no children.
371   SmallVector<SCC *, 4> LeafSCCs;
372
373   /// \brief Stack of nodes not-yet-processed into SCCs.
374   SmallVector<std::pair<Node *, iterator>, 4> DFSStack;
375
376   /// \brief Set of entry nodes not-yet-processed into SCCs.
377   SmallSetVector<Function *, 4> SCCEntryNodes;
378
379   /// \brief Counter for the next DFS number to assign.
380   int NextDFSNumber;
381
382   /// \brief Helper to insert a new function, with an already looked-up entry in
383   /// the NodeMap.
384   Node &insertInto(Function &F, Node *&MappedN);
385
386   /// \brief Helper to update pointers back to the graph object during moves.
387   void updateGraphPtrs();
388
389   /// \brief Helper to form a new SCC out of the top of a DFSStack-like
390   /// structure.
391   SCC *formSCCFromDFSStack(
392       SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>> &DFSStack,
393       SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>>::iterator SCCBegin);
394
395   /// \brief Retrieve the next node in the post-order SCC walk of the call graph.
396   SCC *getNextSCCInPostOrder();
397 };
398
399 // Provide GraphTraits specializations for call graphs.
400 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph::Node *> {
401   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
402   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
403
404   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
405   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
406   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
407 };
408 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph *> {
409   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
410   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
411
412   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
413   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
414   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
415 };
416
417 /// \brief An analysis pass which computes the call graph for a module.
418 class LazyCallGraphAnalysis {
419 public:
420   /// \brief Inform generic clients of the result type.
421   typedef LazyCallGraph Result;
422
423   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
424
425   /// \brief Compute the \c LazyCallGraph for a the module \c M.
426   ///
427   /// This just builds the set of entry points to the call graph. The rest is
428   /// built lazily as it is walked.
429   LazyCallGraph run(Module *M) { return LazyCallGraph(*M); }
430
431 private:
432   static char PassID;
433 };
434
435 /// \brief A pass which prints the call graph to a \c raw_ostream.
436 ///
437 /// This is primarily useful for testing the analysis.
438 class LazyCallGraphPrinterPass {
439   raw_ostream &OS;
440
441 public:
442   explicit LazyCallGraphPrinterPass(raw_ostream &OS);
443
444   PreservedAnalyses run(Module *M, ModuleAnalysisManager *AM);
445
446   static StringRef name() { return "LazyCallGraphPrinterPass"; }
447 };
448
449 }
450
451 #endif