lib/ExecutionEngine/JIT/JITEmitter.cpp

   1 //===-- JITEmitter.cpp - Write machine code to executable memory ----------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
   6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file defines a MachineCodeEmitter object that is used by the JIT to
  11 // write machine code to memory and remember where relocatable values are.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "jit"
  16 #include "JIT.h"
  17 #include "llvm/Constant.h"
  18 #include "llvm/Module.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineCodeEmitter.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/MachineConstantPool.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/MachineRelocation.h"
  23 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  24 #include "llvm/Target/TargetJITInfo.h"
  25 #include "llvm/Support/Debug.h"
  26 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  27 #include "llvm/System/Memory.h"
  28 using namespace llvm;
  29
  30 namespace {
  31   Statistic<> NumBytes("jit", "Number of bytes of machine code compiled");
  32   JIT *TheJIT = 0;
  33 }
  34
  35
  36 //===----------------------------------------------------------------------===//
  37 // JITMemoryManager code.
  38 //
  39 namespace {
  40   /// JITMemoryManager - Manage memory for the JIT code generation in a logical,
  41   /// sane way.  This splits a large block of MAP_NORESERVE'd memory into two
  42   /// sections, one for function stubs, one for the functions themselves.  We
  43   /// have to do this because we may need to emit a function stub while in the
  44   /// middle of emitting a function, and we don't know how large the function we
  45   /// are emitting is.  This never bothers to release the memory, because when
  46   /// we are ready to destroy the JIT, the program exits.
  47   class JITMemoryManager {
  48     sys::MemoryBlock  MemBlock;  // Virtual memory block allocated RWX
  49     unsigned char *MemBase;      // Base of block of memory, start of stub mem
  50     unsigned char *FunctionBase; // Start of the function body area
  51     unsigned char *CurStubPtr, *CurFunctionPtr;
  52   public:
  53     JITMemoryManager();
  54
  55     inline unsigned char *allocateStub(unsigned StubSize);
  56     inline unsigned char *startFunctionBody();
  57     inline void endFunctionBody(unsigned char *FunctionEnd);
  58   };
  59 }
  60
  61 JITMemoryManager::JITMemoryManager() {
  62   // Allocate a 16M block of memory...
  63   MemBlock = sys::Memory::AllocateRWX((16 << 20));
  64   MemBase = reinterpret_cast<unsigned char*>(MemBlock.base());
  65   FunctionBase = MemBase + 512*1024; // Use 512k for stubs
  66
  67   // Allocate stubs backwards from the function base, allocate functions forward
  68   // from the function base.
  69   CurStubPtr = CurFunctionPtr = FunctionBase;
  70 }
  71
  72 unsigned char *JITMemoryManager::allocateStub(unsigned StubSize) {
  73   CurStubPtr -= StubSize;
  74   if (CurStubPtr < MemBase) {
  75     std::cerr << "JIT ran out of memory for function stubs!\n";
  76     abort();
  77   }
  78   return CurStubPtr;
  79 }
  80
  81 unsigned char *JITMemoryManager::startFunctionBody() {
  82   // Round up to an even multiple of 8 bytes, this should eventually be target
  83   // specific.
  84   return (unsigned char*)(((intptr_t)CurFunctionPtr + 7) & ~7);
  85 }
  86
  87 void JITMemoryManager::endFunctionBody(unsigned char *FunctionEnd) {
  88   assert(FunctionEnd > CurFunctionPtr);
  89   CurFunctionPtr = FunctionEnd;
  90 }
  91
  92 //===----------------------------------------------------------------------===//
  93 // JIT lazy compilation code.
  94 //
  95 namespace {
  96   /// JITResolver - Keep track of, and resolve, call sites for functions that
  97   /// have not yet been compiled.
  98   class JITResolver {
  99     /// MCE - The MachineCodeEmitter to use to emit stubs with.
 100     MachineCodeEmitter &MCE;
 101
 102     /// LazyResolverFn - The target lazy resolver function that we actually
 103     /// rewrite instructions to use.
 104     TargetJITInfo::LazyResolverFn LazyResolverFn;
 105
 106     // FunctionToStubMap - Keep track of the stub created for a particular
 107     // function so that we can reuse them if necessary.
 108     std::map<Function*, void*> FunctionToStubMap;
 109
 110     // StubToFunctionMap - Keep track of the function that each stub corresponds
 111     // to.
 112     std::map<void*, Function*> StubToFunctionMap;
 113
 114   public:
 115     JITResolver(MachineCodeEmitter &mce) : MCE(mce) {
 116       LazyResolverFn =
 117         TheJIT->getJITInfo().getLazyResolverFunction(JITCompilerFn);
 118     }
 119
 120     /// getFunctionStub - This returns a pointer to a function stub, creating
 121     /// one on demand as needed.
 122     void *getFunctionStub(Function *F);
 123
 124     /// AddCallbackAtLocation - If the target is capable of rewriting an
 125     /// instruction without the use of a stub, record the location of the use so
 126     /// we know which function is being used at the location.
 127     void *AddCallbackAtLocation(Function *F, void *Location) {
 128       /// Get the target-specific JIT resolver function.
 129       StubToFunctionMap[Location] = F;
 130       return (void*)LazyResolverFn;
 131     }
 132
 133     /// JITCompilerFn - This function is called to resolve a stub to a compiled
 134     /// address.  If the LLVM Function corresponding to the stub has not yet
 135     /// been compiled, this function compiles it first.
 136     static void *JITCompilerFn(void *Stub);
 137   };
 138 }
 139
 140 /// getJITResolver - This function returns the one instance of the JIT resolver.
 141 ///
 142 static JITResolver &getJITResolver(MachineCodeEmitter *MCE = 0) {
 143   static JITResolver TheJITResolver(*MCE);
 144   return TheJITResolver;
 145 }
 146
 147 /// getFunctionStub - This returns a pointer to a function stub, creating
 148 /// one on demand as needed.
 149 void *JITResolver::getFunctionStub(Function *F) {
 150   // If we already have a stub for this function, recycle it.
 151   void *&Stub = FunctionToStubMap[F];
 152   if (Stub) return Stub;
 153
 154   // Call the lazy resolver function unless we already KNOW it is an external
 155   // function, in which case we just skip the lazy resolution step.
 156   void *Actual = (void*)LazyResolverFn;
 157   if (F->hasExternalLinkage())
 158     Actual = TheJIT->getPointerToFunction(F);
 159
 160   // Otherwise, codegen a new stub.  For now, the stub will call the lazy
 161   // resolver function.
 162   Stub = TheJIT->getJITInfo().emitFunctionStub(Actual, MCE);
 163
 164   if (F->hasExternalLinkage()) {
 165     // If we are getting the stub for an external function, we really want the
 166     // address of the stub in the GlobalAddressMap for the JIT, not the address
 167     // of the external function.
 168     TheJIT->updateGlobalMapping(F, Stub);
 169   }
 170
 171   DEBUG(std::cerr << "JIT: Stub emitted at [" << Stub << "] for function '"
 172                   << F->getName() << "'\n");
 173
 174   // Finally, keep track of the stub-to-Function mapping so that the
 175   // JITCompilerFn knows which function to compile!
 176   StubToFunctionMap[Stub] = F;
 177   return Stub;
 178 }
 179
 180 /// JITCompilerFn - This function is called when a lazy compilation stub has
 181 /// been entered.  It looks up which function this stub corresponds to, compiles
 182 /// it if necessary, then returns the resultant function pointer.
 183 void *JITResolver::JITCompilerFn(void *Stub) {
 184   JITResolver &JR = getJITResolver();
 185
 186   // The address given to us for the stub may not be exactly right, it might be
 187   // a little bit after the stub.  As such, use upper_bound to find it.
 188   std::map<void*, Function*>::iterator I =
 189     JR.StubToFunctionMap.upper_bound(Stub);
 190   assert(I != JR.StubToFunctionMap.begin() && "This is not a known stub!");
 191   Function *F = (--I)->second;
 192
 193   // The target function will rewrite the stub so that the compilation callback
 194   // function is no longer called from this stub.
 195   JR.StubToFunctionMap.erase(I);
 196
 197   DEBUG(std::cerr << "JIT: Lazily resolving function '" << F->getName()
 198                   << "' In stub ptr = " << Stub << " actual ptr = "
 199                   << I->first << "\n");
 200
 201   void *Result = TheJIT->getPointerToFunction(F);
 202
 203   // We don't need to reuse this stub in the future, as F is now compiled.
 204   JR.FunctionToStubMap.erase(F);
 205
 206   // FIXME: We could rewrite all references to this stub if we knew them.
 207   return Result;
 208 }
 209
 210
 211 //===----------------------------------------------------------------------===//
 212 // JITEmitter code.
 213 //
 214 namespace {
 215   /// JITEmitter - The JIT implementation of the MachineCodeEmitter, which is
 216   /// used to output functions to memory for execution.
 217   class JITEmitter : public MachineCodeEmitter {
 218     JITMemoryManager MemMgr;
 219
 220     // CurBlock - The start of the current block of memory.  CurByte - The
 221     // current byte being emitted to.
 222     unsigned char *CurBlock, *CurByte;
 223
 224     // When outputting a function stub in the context of some other function, we
 225     // save CurBlock and CurByte here.
 226     unsigned char *SavedCurBlock, *SavedCurByte;
 227
 228     // ConstantPoolAddresses - Contains the location for each entry in the
 229     // constant pool.
 230     std::vector<void*> ConstantPoolAddresses;
 231
 232     /// Relocations - These are the relocations that the function needs, as
 233     /// emitted.
 234     std::vector<MachineRelocation> Relocations;
 235   public:
 236     JITEmitter(JIT &jit) { TheJIT = &jit; }
 237
 238     virtual void startFunction(MachineFunction &F);
 239     virtual void finishFunction(MachineFunction &F);
 240     virtual void emitConstantPool(MachineConstantPool *MCP);
 241     virtual void startFunctionStub(unsigned StubSize);
 242     virtual void* finishFunctionStub(const Function *F);
 243     virtual void emitByte(unsigned char B);
 244     virtual void emitWord(unsigned W);
 245     virtual void emitWordAt(unsigned W, unsigned *Ptr);
 246
 247     virtual void addRelocation(const MachineRelocation &MR) {
 248       Relocations.push_back(MR);
 249     }
 250
 251     virtual uint64_t getCurrentPCValue();
 252     virtual uint64_t getCurrentPCOffset();
 253     virtual uint64_t getConstantPoolEntryAddress(unsigned Entry);
 254
 255   private:
 256     void *getPointerToGlobal(GlobalValue *GV, void *Reference, bool NoNeedStub);
 257   };
 258 }
 259
 260 MachineCodeEmitter *JIT::createEmitter(JIT &jit) {
 261   return new JITEmitter(jit);
 262 }
 263
 264 void *JITEmitter::getPointerToGlobal(GlobalValue *V, void *Reference,
 265                                      bool DoesntNeedStub) {
 266   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V)) {
 267     /// FIXME: If we straightened things out, this could actually emit the
 268     /// global immediately instead of queuing it for codegen later!
 269     GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(V);
 270     return TheJIT->getOrEmitGlobalVariable(GV);
 271   }
 272
 273   // If we have already compiled the function, return a pointer to its body.
 274   Function *F = cast<Function>(V);
 275   void *ResultPtr = TheJIT->getPointerToGlobalIfAvailable(F);
 276   if (ResultPtr) return ResultPtr;
 277
 278   if (F->hasExternalLinkage() && F->isExternal()) {
 279     // If this is an external function pointer, we can force the JIT to
 280     // 'compile' it, which really just adds it to the map.
 281     if (DoesntNeedStub)
 282       return TheJIT->getPointerToFunction(F);
 283
 284     return getJITResolver(this).getFunctionStub(F);
 285   }
 286
 287   // Okay, the function has not been compiled yet, if the target callback
 288   // mechanism is capable of rewriting the instruction directly, prefer to do
 289   // that instead of emitting a stub.
 290   if (DoesntNeedStub)
 291     return getJITResolver(this).AddCallbackAtLocation(F, Reference);
 292
 293   // Otherwise, we have to emit a lazy resolving stub.
 294   return getJITResolver(this).getFunctionStub(F);
 295 }
 296
 297 void JITEmitter::startFunction(MachineFunction &F) {
 298   CurByte = CurBlock = MemMgr.startFunctionBody();
 299   TheJIT->addGlobalMapping(F.getFunction(), CurBlock);
 300 }
 301
 302 void JITEmitter::finishFunction(MachineFunction &F) {
 303   MemMgr.endFunctionBody(CurByte);
 304   ConstantPoolAddresses.clear();
 305   NumBytes += CurByte-CurBlock;
 306
 307   if (!Relocations.empty()) {
 308     // Resolve the relocations to concrete pointers.
 309     for (unsigned i = 0, e = Relocations.size(); i != e; ++i) {
 310       MachineRelocation &MR = Relocations[i];
 311       void *ResultPtr;
 312       if (MR.isString())
 313         ResultPtr = TheJIT->getPointerToNamedFunction(MR.getString());
 314       else
 315         ResultPtr = getPointerToGlobal(MR.getGlobalValue(),
 316                                        CurBlock+MR.getMachineCodeOffset(),
 317                                        MR.doesntNeedFunctionStub());
 318       MR.setResultPointer(ResultPtr);
 319     }
 320
 321     TheJIT->getJITInfo().relocate(CurBlock, &Relocations[0],
 322                                   Relocations.size());
 323   }
 324
 325   DEBUG(std::cerr << "JIT: Finished CodeGen of [" << (void*)CurBlock
 326                   << "] Function: " << F.getFunction()->getName()
 327                   << ": " << CurByte-CurBlock << " bytes of text, "
 328                   << Relocations.size() << " relocations\n");
 329   Relocations.clear();
 330 }
 331
 332 void JITEmitter::emitConstantPool(MachineConstantPool *MCP) {
 333   const std::vector<Constant*> &Constants = MCP->getConstants();
 334   if (Constants.empty()) return;
 335
 336   std::vector<unsigned> ConstantOffset;
 337   ConstantOffset.reserve(Constants.size());
 338
 339   // Calculate how much space we will need for all the constants, and the offset
 340   // each one will live in.
 341   unsigned TotalSize = 0;
 342   for (unsigned i = 0, e = Constants.size(); i != e; ++i) {
 343     const Type *Ty = Constants[i]->getType();
 344     unsigned Size      = TheJIT->getTargetData().getTypeSize(Ty);
 345     unsigned Alignment = TheJIT->getTargetData().getTypeAlignment(Ty);
 346     // Make sure to take into account the alignment requirements of the type.
 347     TotalSize = (TotalSize + Alignment-1) & ~(Alignment-1);
 348
 349     // Remember the offset this element lives at.
 350     ConstantOffset.push_back(TotalSize);
 351     TotalSize += Size;   // Reserve space for the constant.
 352   }
 353
 354   // Now that we know how much memory to allocate, do so.
 355   char *Pool = new char[TotalSize];
 356
 357   // Actually output all of the constants, and remember their addresses.
 358   for (unsigned i = 0, e = Constants.size(); i != e; ++i) {
 359     void *Addr = Pool + ConstantOffset[i];
 360     TheJIT->InitializeMemory(Constants[i], Addr);
 361     ConstantPoolAddresses.push_back(Addr);
 362   }
 363 }
 364
 365 void JITEmitter::startFunctionStub(unsigned StubSize) {
 366   SavedCurBlock = CurBlock;  SavedCurByte = CurByte;
 367   CurByte = CurBlock = MemMgr.allocateStub(StubSize);
 368 }
 369
 370 void *JITEmitter::finishFunctionStub(const Function *F) {
 371   NumBytes += CurByte-CurBlock;
 372   std::swap(CurBlock, SavedCurBlock);
 373   CurByte = SavedCurByte;
 374   return SavedCurBlock;
 375 }
 376
 377 void JITEmitter::emitByte(unsigned char B) {
 378   *CurByte++ = B;   // Write the byte to memory
 379 }
 380
 381 void JITEmitter::emitWord(unsigned W) {
 382   // This won't work if the endianness of the host and target don't agree!  (For
 383   // a JIT this can't happen though.  :)
 384   *(unsigned*)CurByte = W;
 385   CurByte += sizeof(unsigned);
 386 }
 387
 388 void JITEmitter::emitWordAt(unsigned W, unsigned *Ptr) {
 389   *Ptr = W;
 390 }
 391
 392 // getConstantPoolEntryAddress - Return the address of the 'ConstantNum' entry
 393 // in the constant pool that was last emitted with the 'emitConstantPool'
 394 // method.
 395 //
 396 uint64_t JITEmitter::getConstantPoolEntryAddress(unsigned ConstantNum) {
 397   assert(ConstantNum < ConstantPoolAddresses.size() &&
 398          "Invalid ConstantPoolIndex!");
 399   return (intptr_t)ConstantPoolAddresses[ConstantNum];
 400 }
 401
 402 // getCurrentPCValue - This returns the address that the next emitted byte
 403 // will be output to.
 404 //
 405 uint64_t JITEmitter::getCurrentPCValue() {
 406   return (intptr_t)CurByte;
 407 }
 408
 409 uint64_t JITEmitter::getCurrentPCOffset() {
 410   return (intptr_t)CurByte-(intptr_t)CurBlock;
 411 }
 412
 413 // getPointerToNamedFunction - This function is used as a global wrapper to
 414 // JIT::getPointerToNamedFunction for the purpose of resolving symbols when
 415 // bugpoint is debugging the JIT. In that scenario, we are loading an .so and
 416 // need to resolve function(s) that are being mis-codegenerated, so we need to
 417 // resolve their addresses at runtime, and this is the way to do it.
 418 extern "C" {
 419   void *getPointerToNamedFunction(const char *Name) {
 420     Module &M = TheJIT->getModule();
 421     if (Function *F = M.getNamedFunction(Name))
 422       return TheJIT->getPointerToFunction(F);
 423     return TheJIT->getPointerToNamedFunction(Name);
 424   }
 425 }