docs/AliasAnalysis.html

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"
   2                       "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
   3 <html>
   4 <head>
   5   <title>The LLVM Alias Analysis Infrastructure</title>
   6   <link rel="stylesheet" href="llvm.css" type="text/css">
   7 </head>
   8 <body>
   9
  10 <div class="doc_title">
  11   The LLVM Alias Analysis Infrastructure
  12 </div>
  13
  14 <ol>
  15   <li><a href="#introduction">Introduction</a></li>
  16
  17   <li><a href="#overview"><tt>AliasAnalysis</tt> Class Overview</a>
  18     <ul>
  19     <li><a href="#pointers">Representation of Pointers</a></li>
  20     <li><a href="#alias">The <tt>alias</tt> method</a></li>
  21     <li><a href="#ModRefInfo">The <tt>getModRefInfo</tt> methods</a></li>
  22     <li><a href="#OtherItfs">Other useful <tt>AliasAnalysis</tt> methods</a></li>
  23     </ul>
  24   </li>
  25
  26   <li><a href="#writingnew">Writing a new <tt>AliasAnalysis</tt> Implementation</a>
  27     <ul>
  28     <li><a href="#passsubclasses">Different Pass styles</a></li>
  29     <li><a href="#requiredcalls">Required initialization calls</a></li>
  30     <li><a href="#interfaces">Interfaces which may be specified</a></li>
  31     <li><a href="#chaining"><tt>AliasAnalysis</tt> chaining behavior</a></li>
  32     <li><a href="#updating">Updating analysis results for transformations</a></li>
  33     <li><a href="#implefficiency">Efficiency Issues</a></li>
  34     </ul>
  35   </li>
  36
  37   <li><a href="#using">Using alias analysis results</a>
  38     <ul>
  39     <li><a href="#loadvn">Using the <tt>-load-vn</tt> Pass</a></li>
  40     <li><a href="#ast">Using the <tt>AliasSetTracker</tt> class</a></li>
  41     <li><a href="#direct">Using the <tt>AliasAnalysis</tt> interface directly</a></li>
  42     </ul>
  43   </li>
  44
  45   <li><a href="#exist">Existing alias analysis implementations and clients</a>
  46     <ul>
  47     <li><a href="#impls">Available <tt>AliasAnalysis</tt> implementations</a></li>
  48     <li><a href="#aliasanalysis-xforms">Alias analysis driven transformations</a></li>
  49     <li><a href="#aliasanalysis-debug">Clients for debugging and evaluation of implementations</a></li>
  50     </ul>
  51   </li>
  52 </ol>
  53
  54 <div class="doc_author">
  55   <p>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a></p>
  56 </div>
  57
  58 <!-- *********************************************************************** -->
  59 <div class="doc_section">
  60   <a name="introduction">Introduction</a>
  61 </div>
  62 <!-- *********************************************************************** -->
  63
  64 <div class="doc_text">
  65
  66 <p>Alias Analysis (aka Pointer Analysis) is a class of techniques which attempt
  67 to determine whether or not two pointers ever can point to the same object in
  68 memory.  There are many different algorithms for alias analysis and many
  69 different ways of classifying them: flow-sensitive vs flow-insensitive,
  70 context-sensitive vs context-insensitive, field-sensitive vs field-insensitive,
  71 unification-based vs subset-based, etc.  Traditionally, alias analyses respond
  72 to a query with a <a href="#MustNoMay">Must, May, or No</a> alias response,
  73 indicating that two pointers always point to the same object, might point to the
  74 same object, or are known to never point to the same object.</p>
  75
  76 <p>The LLVM <a
  77 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html"><tt>AliasAnalysis</tt></a>
  78 class is the primary interface used by clients and implementations of alias
  79 analyses in the LLVM system.  This class is the common interface between clients
  80 of alias analysis information and the implementations providing it, and is
  81 designed to support a wide range of implementations and clients (but currently
  82 all clients are assumed to be flow-insensitive).  In addition to simple alias
  83 analysis information, this class exposes Mod/Ref information from those
  84 implementations which can provide it, allowing for powerful analyses and
  85 transformations to work well together.</p>
  86
  87 <p>This document contains information necessary to successfully implement this
  88 interface, use it, and to test both sides.  It also explains some of the finer
  89 points about what exactly results mean.  If you feel that something is unclear
  90 or should be added, please <a href="mailto:sabre@nondot.org">let me
  91 know</a>.</p>
  92
  93 </div>
  94
  95 <!-- *********************************************************************** -->
  96 <div class="doc_section">
  97   <a name="overview"><tt>AliasAnalysis</tt> Class Overview</a>
  98 </div>
  99 <!-- *********************************************************************** -->
 100
 101 <div class="doc_text">
 102
 103 <p>The <a
 104 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html"><tt>AliasAnalysis</tt></a>
 105 class defines the interface that the various alias analysis implementations
 106 should support.  This class exports two important enums: <tt>AliasResult</tt>
 107 and <tt>ModRefResult</tt> which represent the result of an alias query or a
 108 mod/ref query, respectively.</p>
 109
 110 <p>The <tt>AliasAnalysis</tt> interface exposes information about memory,
 111 represented in several different ways.  In particular, memory objects are
 112 represented as a starting address and size, and function calls are represented
 113 as the actual <tt>call</tt> or <tt>invoke</tt> instructions that performs the
 114 call.  The <tt>AliasAnalysis</tt> interface also exposes some helper methods
 115 which allow you to get mod/ref information for arbitrary instructions.</p>
 116
 117 </div>
 118
 119 <!-- ======================================================================= -->
 120 <div class="doc_subsection">
 121   <a name="pointers">Representation of Pointers</a>
 122 </div>
 123
 124 <div class="doc_text">
 125
 126 <p>Most importantly, the <tt>AliasAnalysis</tt> class provides several methods
 127 which are used to query whether or not two memory objects alias, whether
 128 function calls can modify or read a memory object, etc.  For all of these
 129 queries, memory objects are represented as a pair of their starting address (a
 130 symbolic LLVM <tt>Value*</tt>) and a static size.</p>
 131
 132 <p>Representing memory objects as a starting address and a size is critically
 133 important for correct Alias Analyses.  For example, consider this (silly, but
 134 possible) C code:</p>
 135
 136 <pre>
 137   int i;
 138   char C[2];
 139   char A[10];
 140   /* ... */
 141   for (i = 0; i != 10; ++i) {
 142     C[0] = A[i];          /* One byte store */
 143     C[1] = A[9-i];        /* One byte store */
 144   }
 145 </pre>
 146
 147 <p>In this case, the <tt>basicaa</tt> pass will disambiguate the stores to
 148 <tt>C[0]</tt> and <tt>C[1]</tt> because they are accesses to two distinct
 149 locations one byte apart, and the accesses are each one byte.  In this case, the
 150 LICM pass can use store motion to remove the stores from the loop.  In
 151 constrast, the following code:</p>
 152
 153 <pre>
 154   int i;
 155   char C[2];
 156   char A[10];
 157   /* ... */
 158   for (i = 0; i != 10; ++i) {
 159     ((short*)C)[0] = A[i];  /* Two byte store! */
 160     C[1] = A[9-i];          /* One byte store */
 161   }
 162 </pre>
 163
 164 <p>In this case, the two stores to C do alias each other, because the access to
 165 the <tt>&amp;C[0]</tt> element is a two byte access.  If size information wasn't
 166 available in the query, even the first case would have to conservatively assume
 167 that the accesses alias.</p>
 168
 169 </div>
 170
 171 <!-- ======================================================================= -->
 172 <div class="doc_subsection">
 173   <a name="alias">The <tt>alias</tt> method</a>
 174 </div>
 175
 176 <div class="doc_text">
 177 The <tt>alias</tt> method is the primary interface used to determine whether or
 178 not two memory objects alias each other.  It takes two memory objects as input
 179 and returns MustAlias, MayAlias, or NoAlias as appropriate.
 180 </div>
 181
 182 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 183 <div class="doc_subsubsection">
 184   <a name="MustMayNo">Must, May, and No Alias Responses</a>
 185 </div>
 186
 187 <div class="doc_text">
 188
 189 <p>An Alias Analysis implementation can return one of three responses:
 190 MustAlias, MayAlias, and NoAlias.  The No and May alias results are obvious: if
 191 the two pointers can never equal each other, return NoAlias, if they might,
 192 return MayAlias.</p>
 193
 194 <p>The MustAlias response is trickier though.  In LLVM, the Must Alias response
 195 may only be returned if the two memory objects are guaranteed to always start at
 196 exactly the same location.  If two memory objects overlap, but do not start at
 197 the same location, return MayAlias.</p>
 198
 199 </div>
 200
 201 <!-- ======================================================================= -->
 202 <div class="doc_subsection">
 203   <a name="ModRefInfo">The <tt>getModRefInfo</tt> methods</a>
 204 </div>
 205
 206 <div class="doc_text">
 207
 208 <p>The <tt>getModRefInfo</tt> methods return information about whether the
 209 execution of an instruction can read or modify a memory location.  Mod/Ref
 210 information is always conservative: if an instruction <b>might</b> read or write
 211 a location, ModRef is returned.</p>
 212
 213 <p>The <tt>AliasAnalysis</tt> class also provides a <tt>getModRefInfo</tt>
 214 method for testing dependencies between function calls.  This method takes two
 215 call sites (CS1 &amp; CS2), returns NoModRef if the two calls refer to disjoint
 216 memory locations, Ref if CS1 reads memory written by CS2, Mod if CS1 writes to
 217 memory read or written by CS2, or ModRef if CS1 might read or write memory
 218 accessed by CS2.  Note that this relation is not commutative.  Clients that use
 219 this method should be predicated on the <tt>hasNoModRefInfoForCalls()</tt>
 220 method, which indicates whether or not an analysis can provide mod/ref
 221 information for function call pairs (most can not).  If this predicate is false,
 222 the client shouldn't waste analysis time querying the <tt>getModRefInfo</tt>
 223 method many times.</p>
 224
 225 </div>
 226
 227
 228 <!-- ======================================================================= -->
 229 <div class="doc_subsection">
 230   <a name="OtherItfs">Other useful <tt>AliasAnalysis</tt> methods</a>
 231 </div>
 232
 233 <div class="doc_text">
 234
 235 <p>
 236 Several other tidbits of information are often collected by various alias
 237 analysis implementations and can be put to good use by various clients.
 238 </p>
 239
 240 </div>
 241
 242 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 243 <div class="doc_subsubsection">
 244   The <tt>getMustAliases</tt> method
 245 </div>
 246
 247 <div class="doc_text">
 248
 249 <p>The <tt>getMustAliases</tt> method returns all values that are known to
 250 always must alias a pointer.  This information can be provided in some cases for
 251 important objects like the null pointer and global values.  Knowing that a
 252 pointer always points to a particular function allows indirect calls to be
 253 turned into direct calls, for example.</p>
 254
 255 </div>
 256
 257 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 258 <div class="doc_subsubsection">
 259   The <tt>pointsToConstantMemory</tt> method
 260 </div>
 261
 262 <div class="doc_text">
 263
 264 <p>The <tt>pointsToConstantMemory</tt> method returns true if and only if the
 265 analysis can prove that the pointer only points to unchanging memory locations
 266 (functions, constant global variables, and the null pointer).  This information
 267 can be used to refine mod/ref information: it is impossible for an unchanging
 268 memory location to be modified.</p>
 269
 270 </div>
 271
 272
 273 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 274 <div class="doc_subsubsection">
 275   <a name="simplemodref">The <tt>doesNotAccessMemory</tt> and
 276   <tt>onlyReadsMemory</tt> methods</a>
 277 </div>
 278
 279 <div class="doc_text">
 280
 281 <p>These methods are used to provide very simple mod/ref information for
 282 function calls.  The <tt>doesNotAccessMemory</tt> method returns true for a
 283 function if the analysis can prove that the function never reads or writes to
 284 memory, or if the function only reads from constant memory.  Functions with this
 285 property are side-effect free and only depend on their input arguments, allowing
 286 them to be eliminated if they form common subexpressions or be hoisted out of
 287 loops.  Many common functions behave this way (e.g., <tt>sin</tt> and
 288 <tt>cos</tt>) but many others do not (e.g., <tt>acos</tt>, which modifies the
 289 <tt>errno</tt> variable).</p>
 290
 291 <p>The <tt>onlyReadsMemory</tt> method returns true for a function if analysis
 292 can prove that (at most) the function only reads from non-volatile memory.
 293 Functions with this property are side-effect free, only depending on their input
 294 arguments and the state of memory when they are called.  This property allows
 295 calls to these functions to be eliminated and moved around, as long as there is
 296 no store instruction that changes the contents of memory.  Note that all
 297 functions that satisfy the <tt>doesNotAccessMemory</tt> method also satisfies
 298 <tt>onlyReadsMemory</tt>.</p>
 299
 300 </div>
 301
 302
 303
 304 <!-- *********************************************************************** -->
 305 <div class="doc_section">
 306   <a name="writingnew">Writing a new <tt>AliasAnalysis</tt> Implementation</a>
 307 </div>
 308 <!-- *********************************************************************** -->
 309
 310 <div class="doc_text">
 311
 312 <p>Writing a new alias analysis implementation for LLVM is quite
 313 straight-forward.  There are already several implementations that you can use
 314 for examples, and the following information should help fill in any details.
 315 For a examples, take a look at the <a href="#impls">various alias analysis
 316 implementations</a> included with LLVM.</p>
 317
 318 </div>
 319
 320 <!-- ======================================================================= -->
 321 <div class="doc_subsection">
 322   <a name="passsubclasses">Different Pass styles</a>
 323 </div>
 324
 325 <div class="doc_text">
 326
 327 <p>The first step to determining what type of <a
 328 href="WritingAnLLVMPass.html">LLVM pass</a> you need to use for your Alias
 329 Analysis.  As is the case with most other analyses and transformations, the
 330 answer should be fairly obvious from what type of problem you are trying to
 331 solve:</p>
 332
 333 <ol>
 334   <li>If you require interprocedural analysis, it should be a
 335       <tt>Pass</tt>.</li>
 336   <li>If you are a function-local analysis, subclass <tt>FunctionPass</tt>.</li>
 337   <li>If you don't need to look at the program at all, subclass
 338       <tt>ImmutablePass</tt>.</li>
 339 </ol>
 340
 341 <p>In addition to the pass that you subclass, you should also inherit from the
 342 <tt>AliasAnalysis</tt> interface, of course, and use the
 343 <tt>RegisterAnalysisGroup</tt> template to register as an implementation of
 344 <tt>AliasAnalysis</tt>.</p>
 345
 346 </div>
 347
 348 <!-- ======================================================================= -->
 349 <div class="doc_subsection">
 350   <a name="requiredcalls">Required initialization calls</a>
 351 </div>
 352
 353 <div class="doc_text">
 354
 355 <p>Your subclass of <tt>AliasAnalysis</tt> is required to invoke two methods on
 356 the <tt>AliasAnalysis</tt> base class: <tt>getAnalysisUsage</tt> and
 357 <tt>InitializeAliasAnalysis</tt>.  In particular, your implementation of
 358 <tt>getAnalysisUsage</tt> should explicitly call into the
 359 <tt>AliasAnalysis::getAnalysisUsage</tt> method in addition to doing any
 360 declaring any pass dependencies your pass has.  Thus you should have something
 361 like this:</p>
 362
 363 <pre>
 364     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &amp;AU) const {
 365       AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
 366       <i>// declare your dependencies here.</i>
 367     }
 368 </pre>
 369
 370 <p>Additionally, your must invoke the <tt>InitializeAliasAnalysis</tt> method
 371 from your analysis run method (<tt>run</tt> for a <tt>Pass</tt>,
 372 <tt>runOnFunction</tt> for a <tt>FunctionPass</tt>, or <tt>InitializePass</tt>
 373 for an <tt>ImmutablePass</tt>).  For example (as part of a <tt>Pass</tt>):</p>
 374
 375 <pre>
 376     bool run(Module &amp;M) {
 377       InitializeAliasAnalysis(this);
 378       <i>// Perform analysis here...</i>
 379       return false;
 380     }
 381 </pre>
 382
 383 </div>
 384
 385 <!-- ======================================================================= -->
 386 <div class="doc_subsection">
 387   <a name="interfaces">Interfaces which may be specified</a>
 388 </div>
 389
 390 <div class="doc_text">
 391
 392 <p>All of the <a
 393 href="/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html"><tt>AliasAnalysis</tt></a>
 394 virtual methods default to providing <a href="#chaining">chaining</a> to another
 395 alias analysis implementation, which ends up returning conservatively correct
 396 information (returning "May" Alias and "Mod/Ref" for alias and mod/ref queries
 397 respectively).  Depending on the capabilities of the analysis you are
 398 implementing, you just override the interfaces you can improve.</p>
 399
 400 </div>
 401
 402
 403
 404 <!-- ======================================================================= -->
 405 <div class="doc_subsection">
 406   <a name="chaining"><tt>AliasAnalysis</tt> chaining behavior</a>
 407 </div>
 408
 409 <div class="doc_text">
 410
 411 <p>With only two special exceptions (the <tt><a
 412 href="#basic-aa">basicaa</a></tt> and <a href="#no-aa"><tt>no-aa</tt></a>
 413 passes) every alias analysis pass chains to another alias analysis
 414 implementation (for example, the user can specify "<tt>-basicaa -ds-aa
 415 -anders-aa -licm</tt>" to get the maximum benefit from the three alias
 416 analyses).  The alias analysis class automatically takes care of most of this
 417 for methods that you don't override.  For methods that you do override, in code
 418 paths that return a conservative MayAlias or Mod/Ref result, simply return
 419 whatever the superclass computes.  For example:</p>
 420
 421 <pre>
 422   AliasAnalysis::AliasResult alias(const Value *V1, unsigned V1Size,
 423                                    const Value *V2, unsigned V2Size) {
 424     if (...)
 425       return NoAlias;
 426     ...
 427
 428     <i>// Couldn't determine a must or no-alias result.</i>
 429     return AliasAnalysis::alias(V1, V1Size, V2, V2Size);
 430   }
 431 </pre>
 432
 433 <p>In addition to analysis queries, you must make sure to unconditionally pass
 434 LLVM <a href="#updating">update notification</a> methods to the superclass as
 435 well if you override them, which allows all alias analyses in a change to be
 436 updated.</p>
 437
 438 </div>
 439
 440
 441 <!-- ======================================================================= -->
 442 <div class="doc_subsection">
 443   <a name="updating">Updating analysis results for transformations</a>
 444 </div>
 445
 446 <div class="doc_text">
 447 <p>
 448 Alias analysis information is initially computed for a static snapshot of the
 449 program, but clients will use this information to make transformations to the
 450 code.  All but the most trivial forms of alias analysis will need to have their
 451 analysis results updated to reflect the changes made by these transformations.
 452 </p>
 453
 454 <p>
 455 The <tt>AliasAnalysis</tt> interface exposes two methods which are used to
 456 communicate program changes from the clients to the analysis implementations.
 457 Various alias analysis implementations should use these methods to ensure that
 458 their internal data structures are kept up-to-date as the program changes (for
 459 example, when an instruction is deleted), and clients of alias analysis must be
 460 sure to call these interfaces appropriately.
 461 </p>
 462 </div>
 463
 464 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 465 <div class="doc_subsubsection">The <tt>deleteValue</tt> method</div>
 466
 467 <div class="doc_text">
 468 The <tt>deleteValue</tt> method is called by transformations when they remove an
 469 instruction or any other value from the program (including values that do not
 470 use pointers).  Typically alias analyses keep data structures that have entries
 471 for each value in the program.  When this method is called, they should remove
 472 any entries for the specified value, if they exist.
 473 </div>
 474
 475
 476 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 477 <div class="doc_subsubsection">The <tt>copyValue</tt> method</div>
 478
 479 <div class="doc_text">
 480 The <tt>copyValue</tt> method is used when a new value is introduced into the
 481 program.  There is no way to introduce a value into the program that did not
 482 exist before (this doesn't make sense for a safe compiler transformation), so
 483 this is the only way to introduce a new value.  This method indicates that the
 484 new value has exactly the same properties as the value being copied.
 485 </div>
 486
 487
 488 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 489 <div class="doc_subsubsection">The <tt>replaceWithNewValue</tt> method</div>
 490
 491 <div class="doc_text">
 492 This method is a simple helper method that is provided to make clients easier to
 493 use.  It is implemented by copying the old analysis information to the new
 494 value, then deleting the old value.  This method cannot be overridden by alias
 495 analysis implementations.
 496 </div>
 497
 498 <!-- ======================================================================= -->
 499 <div class="doc_subsection">
 500   <a name="implefficiency">Efficiency Issues</a>
 501 </div>
 502
 503 <div class="doc_text">
 504
 505 <p>From the LLVM perspective, the only thing you need to do to provide an
 506 efficient alias analysis is to make sure that alias analysis <b>queries</b> are
 507 serviced quickly.  The actual calculation of the alias analysis results (the
 508 "run" method) is only performed once, but many (perhaps duplicate) queries may
 509 be performed.  Because of this, try to move as much computation to the run
 510 method as possible (within reason).</p>
 511
 512 </div>
 513
 514 <!-- *********************************************************************** -->
 515 <div class="doc_section">
 516   <a name="using">Using alias analysis results</a>
 517 </div>
 518 <!-- *********************************************************************** -->
 519
 520 <div class="doc_text">
 521
 522 <p>There are several different ways to use alias analysis results.  In order of
 523 preference, these are...</p>
 524
 525 </div>
 526
 527 <!-- ======================================================================= -->
 528 <div class="doc_subsection">
 529   <a name="loadvn">Using the <tt>-load-vn</tt> Pass</a>
 530 </div>
 531
 532 <div class="doc_text">
 533
 534 <p>The <tt>load-vn</tt> pass uses alias analysis to provide value numbering
 535 information for <tt>load</tt> instructions and pointer values.  If your analysis
 536 or transformation can be modeled in a form that uses value numbering
 537 information, you don't have to do anything special to handle load instructions:
 538 just use the <tt>load-vn</tt> pass, which uses alias analysis.</p>
 539
 540 </div>
 541
 542 <!-- ======================================================================= -->
 543 <div class="doc_subsection">
 544   <a name="ast">Using the <tt>AliasSetTracker</tt> class</a>
 545 </div>
 546
 547 <div class="doc_text">
 548
 549 <p>Many transformations need information about alias <b>sets</b> that are active
 550 in some scope, rather than information about pairwise aliasing.  The <tt><a
 551 href="/doxygen/classllvm_1_1AliasSetTracker.html">AliasSetTracker</a></tt> class is used
 552 to efficiently build these Alias Sets from the pairwise alias analysis
 553 information provided by the <tt>AliasAnalysis</tt> interface.</p>
 554
 555 <p>First you initialize the AliasSetTracker by using the "<tt>add</tt>" methods
 556 to add information about various potentially aliasing instructions in the scope
 557 you are interested in.  Once all of the alias sets are completed, your pass
 558 should simply iterate through the constructed alias sets, using the
 559 <tt>AliasSetTracker</tt> <tt>begin()</tt>/<tt>end()</tt> methods.</p>
 560
 561 <p>The <tt>AliasSet</tt>s formed by the <tt>AliasSetTracker</tt> are guaranteed
 562 to be disjoint, calculate mod/ref information and volatility for the set, and
 563 keep track of whether or not all of the pointers in the set are Must aliases.
 564 The AliasSetTracker also makes sure that sets are properly folded due to call
 565 instructions, and can provide a list of pointers in each set.</p>
 566
 567 <p>As an example user of this, the <a href="/doxygen/structLICM.html">Loop
 568 Invariant Code Motion</a> pass uses <tt>AliasSetTracker</tt>s to calculate alias
 569 sets for each loop nest.  If an <tt>AliasSet</tt> in a loop is not modified,
 570 then all load instructions from that set may be hoisted out of the loop.  If any
 571 alias sets are stored to <b>and</b> are must alias sets, then the stores may be
 572 sunk to outside of the loop, promoting the memory location to a register for the
 573 duration of the loop nest.  Both of these transformations only apply if the
 574 pointer argument is loop-invariant.</p>
 575
 576 </div>
 577
 578 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 579 <div class="doc_subsubsection">
 580   The AliasSetTracker implementation
 581 </div>
 582
 583 <div class="doc_text">
 584
 585 <p>The AliasSetTracker class is implemented to be as efficient as possible.  It
 586 uses the union-find algorithm to efficiently merge AliasSets when a pointer is
 587 inserted into the AliasSetTracker that aliases multiple sets.  The primary data
 588 structure is a hash table mapping pointers to the AliasSet they are in.</p>
 589
 590 <p>The AliasSetTracker class must maintain a list of all of the LLVM Value*'s
 591 that are in each AliasSet.  Since the hash table already has entries for each
 592 LLVM Value* of interest, the AliasesSets thread the linked list through these
 593 hash-table nodes to avoid having to allocate memory unnecessarily, and to make
 594 merging alias sets extremely efficient (the linked list merge is constant time).
 595 </p>
 596
 597 <p>You shouldn't need to understand these details if you are just a client of
 598 the AliasSetTracker, but if you look at the code, hopefully this brief
 599 description will help make sense of why things are designed the way they
 600 are.</p>
 601
 602 </div>
 603
 604
 605 <!-- ======================================================================= -->
 606 <div class="doc_subsection">
 607   <a name="direct">Using the <tt>AliasAnalysis</tt> interface directly</a>
 608 </div>
 609
 610 <div class="doc_text">
 611
 612 <p>If neither of these utility class are what your pass needs, you should use
 613 the interfaces exposed by the <tt>AliasAnalysis</tt> class directly.  Try to use
 614 the higher-level methods when possible (e.g., use mod/ref information instead of
 615 the <a href="#alias"><tt>alias</tt></a> method directly if possible) to get the
 616 best precision and efficiency.</p>
 617
 618 </div>
 619
 620 <!-- *********************************************************************** -->
 621 <div class="doc_section">
 622   <a name="exist">Existing alias analysis implementations and clients</a>
 623 </div>
 624 <!-- *********************************************************************** -->
 625
 626 <div class="doc_text">
 627
 628 <p>If you're going to be working with the LLVM alias analysis infrastructure,
 629 you should know what clients and implementations of alias analysis are
 630 available.  In particular, if you are implementing an alias analysis, you should
 631 be aware of the <a href="#aliasanalysis-debug">the clients</a> that are useful
 632 for monitoring and evaluating different implementations.</p>
 633
 634 </div>
 635
 636 <!-- ======================================================================= -->
 637 <div class="doc_subsection">
 638   <a name="impls">Available <tt>AliasAnalysis</tt> implementations</a>
 639 </div>
 640
 641 <div class="doc_text">
 642
 643 <p>This section lists the various implementations of the <tt>AliasAnalysis</tt>
 644 interface.  With the exception of the <a href="#no-aa"><tt>-no-aa</tt></a> and
 645 <a href="#basic-aa"><tt>-basicaa</tt></a> implementations, all of these <a
 646 href="#chaining">chain</a> to other alias analysis implementations.</p>
 647
 648 </div>
 649
 650 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 651 <div class="doc_subsubsection">
 652   <a name="no-aa">The <tt>-no-aa</tt> pass</a>
 653 </div>
 654
 655 <div class="doc_text">
 656
 657 <p>The <tt>-no-aa</tt> pass is just like what it sounds: an alias analysis that
 658 never returns any useful information.  This pass can be useful if you think that
 659 alias analysis is doing something wrong and are trying to narrow down a
 660 problem.</p>
 661
 662 </div>
 663
 664
 665 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 666 <div class="doc_subsubsection">
 667   <a name="basic-aa">The <tt>-basicaa</tt> pass</a>
 668 </div>
 669
 670 <div class="doc_text">
 671
 672 <p>The <tt>-basicaa</tt> pass is the default LLVM alias analysis.  It is an
 673 aggressive local analysis that "knows" many important facts:</p>
 674
 675 <ul>
 676 <li>Distinct globals, stack allocations, and heap allocations can never
 677     alias.</li>
 678 <li>Globals, stack allocations, and heap allocations never alias the null
 679     pointer.</li>
 680 <li>Different fields of a structure do not alias.</li>
 681 <li>Indexes into arrays with statically differing subscripts cannot alias.</li>
 682 <li>Many common standard C library functions <a
 683     href="#simplemodref">never access memory or only read memory</a>.</li>
 684 <li>Pointers that obviously point to constant globals
 685     "<tt>pointToConstantMemory</tt>".</li>
 686 <li>Function calls can not modify or references stack allocations if they never
 687     escape from the function that allocates them (a common case for automatic
 688     arrays).</li>
 689 </ul>
 690
 691 </div>
 692
 693 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 694 <div class="doc_subsubsection">
 695   <a name="globalsmodref">The <tt>-globalsmodref-aa</tt> pass</a>
 696 </div>
 697
 698 <div class="doc_text">
 699
 700 <p>This pass implements a simple context-sensitive mod/ref and alias analysis
 701 for internal global variables that don't "have their address taken".  If a
 702 global does not have its address taken, the pass knows that no pointers alias
 703 the global.
 704 </p>
 705
 706 <p>The real power of this pass is that it provides context-sensitive mod/ref
 707 information for call instructions.  This allows the optimizer to know that
 708 calls to a function do not clobber or read the value of the global, allowing
 709 loads and stores to be eliminated.</p>
 710
 711 <p>Note that this pass is somewhat limited in its scope (only support
 712 non-address taken globals), but is very quick analysis.</p>
 713 </div>
 714
 715 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 716 <div class="doc_subsubsection">
 717   <a name="anders-aa">The <tt>-anders-aa</tt> pass</a>
 718 </div>
 719
 720 <div class="doc_text">
 721
 722 <p>The <tt>-anders-aa</tt> pass implements the well-known "Andersen's algorithm"
 723 for interprocedural alias analysis.  This algorithm is a subset-based,
 724 flow-insensitive, context-insensitive, and field-insensitive alias analysis that
 725 is widely believed to be fairly precise.  Unfortunately, this algorithm is also
 726 O(N<sup>3</sup>).  The LLVM implementation currently does not implement any of
 727 the refinements (such as "online cycle elimination" or "offline variable
 728 substitution") to improve its efficiency, so it can be quite slow in common
 729 cases.
 730 </p>
 731
 732 </div>
 733
 734 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 735 <div class="doc_subsubsection">
 736   <a name="steens-aa">The <tt>-steens-aa</tt> pass</a>
 737 </div>
 738
 739 <div class="doc_text">
 740
 741 <p>The <tt>-steens-aa</tt> pass implements a variation on the well-known
 742 "Steensgaard's algorithm" for interprocedural alias analysis.  Steensgaard's
 743 algorithm is a unification-based, flow-insensitive, context-insensitive, and
 744 field-insensitive alias analysis that is also very scalable (effectively linear
 745 time).</p>
 746
 747 <p>The LLVM <tt>-steens-aa</tt> pass implements a "speculatively
 748 field-<b>sensitive</b>" version of Steensgaard's algorithm using the Data
 749 Structure Analysis framework.  This gives it substantially more precision than
 750 the standard algorithm while maintaining excellent analysis scalability.</p>
 751
 752 </div>
 753
 754 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 755 <div class="doc_subsubsection">
 756   <a name="ds-aa">The <tt>-ds-aa</tt> pass</a>
 757 </div>
 758
 759 <div class="doc_text">
 760
 761 <p>The <tt>-ds-aa</tt> pass implements the full Data Structure Analysis
 762 algorithm.  Data Structure Analysis is a modular unification-based,
 763 flow-insensitive, context-<b>sensitive</b>, and speculatively
 764 field-<b>sensitive</b> alias analysis that is also quite scalable, usually at
 765 O(n*log(n)).</p>
 766
 767 <p>This algorithm is capable of responding to a full variety of alias analysis
 768 queries, and can provide context-sensitive mod/ref information as well.  The
 769 only major facility not implemented so far is support for must-alias
 770 information.</p>
 771
 772 </div>
 773
 774
 775 <!-- ======================================================================= -->
 776 <div class="doc_subsection">
 777   <a name="aliasanalysis-xforms">Alias analysis driven transformations</a>
 778 </div>
 779
 780 <div class="doc_text">
 781 LLVM includes several alias-analysis driven transformations which can be used
 782 with any of the implementations above.
 783 </div>
 784
 785 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 786 <div class="doc_subsubsection">
 787   <a name="adce">The <tt>-adce</tt> pass</a>
 788 </div>
 789
 790 <div class="doc_text">
 791
 792 <p>The <tt>-adce</tt> pass, which implements Aggressive Dead Code Elimination
 793 uses the <tt>AliasAnalysis</tt> interface to delete calls to functions that do
 794 not have side-effects and are not used.</p>
 795
 796 </div>
 797
 798
 799 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 800 <div class="doc_subsubsection">
 801   <a name="licm">The <tt>-licm</tt> pass</a>
 802 </div>
 803
 804 <div class="doc_text">
 805
 806 <p>The <tt>-licm</tt> pass implements various Loop Invariant Code Motion related
 807 transformations.  It uses the <tt>AliasAnalysis</tt> interface for several
 808 different transformations:</p>
 809
 810 <ul>
 811 <li>It uses mod/ref information to hoist or sink load instructions out of loops
 812 if there are no instructions in the loop that modifies the memory loaded.</li>
 813
 814 <li>It uses mod/ref information to hoist function calls out of loops that do not
 815 write to memory and are loop-invariant.</li>
 816
 817 <li>If uses alias information to promote memory objects that are loaded and
 818 stored to in loops to live in a register instead.  It can do this if there are
 819 no may aliases to the loaded/stored memory location.</li>
 820 </ul>
 821
 822 </div>
 823
 824 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 825 <div class="doc_subsubsection">
 826   <a name="argpromotion">The <tt>-argpromotion</tt> pass</a>
 827 </div>
 828
 829 <div class="doc_text">
 830 <p>
 831 The <tt>-argpromotion</tt> pass promotes by-reference arguments to be passed in
 832 by-value instead.  In particular, if pointer arguments are only loaded from it
 833 passes in the value loaded instead of the address to the function.  This pass
 834 uses alias information to make sure that the value loaded from the argument
 835 pointer is not modified between the entry of the function and any load of the
 836 pointer.</p>
 837 </div>
 838
 839 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 840 <div class="doc_subsubsection">
 841   <a name="gcseloadvn">The <tt>-load-vn</tt> &amp; <tt>-gcse</tt> passes</a>
 842 </div>
 843
 844 <div class="doc_text">
 845 <p>
 846 The <tt>-load-vn</tt> pass uses alias analysis to "<a href="#loadvn">value
 847 number</a>" loads and pointers values, which is used by the GCSE pass to
 848 eliminate instructions.  The <tt>-load-vn</tt> pass relies on alias information
 849 and must-alias information.  This combination of passes can make the following
 850 transformations:</p>
 851
 852 <ul>
 853 <li>Redundant load instructions are eliminated.</li>
 854 <li>Load instructions that follow a store to the same location are replaced with
 855 the stored value ("store forwarding").</li>
 856 <li>Pointers values (e.g. formal arguments) that must-alias simpler expressions
 857 (e.g. global variables or the null pointer) are replaced.  Note that this
 858 implements transformations like "virtual method resolution", turning indirect
 859 calls into direct calls.</li>
 860 </ul>
 861
 862 </div>
 863
 864
 865
 866
 867 <!-- ======================================================================= -->
 868 <div class="doc_subsection">
 869   <a name="aliasanalysis-debug">Clients for debugging and evaluation of implementations</a>
 870 </div>
 871
 872 These passes are useful for evaluating the various alias analysis
 873 implementations.  You can use them with commands like '<tt>opt -anders-aa -ds-aa
 874 -aa-eval foo.bc -disable-output -stats</tt>'.
 875
 876
 877 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 878 <div class="doc_subsubsection">
 879   <a name="print-alias-sets">The <tt>-print-alias-sets</tt> pass</a>
 880 </div>
 881
 882 <div class="doc_text">
 883
 884 <p>The <tt>-print-alias-sets</tt> pass is exposed as part of the
 885 <tt>analyze</tt> tool to print out the Alias Sets formed by the <a
 886 href="#ast"><tt>AliasSetTracker</tt></a> class.  This is useful if you're using
 887 the <tt>AliasSetTracker</tt> class.</p>
 888
 889 </div>
 890
 891
 892 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 893 <div class="doc_subsubsection">
 894   <a name="count-aa">The <tt>-count-aa</tt> pass</a>
 895 </div>
 896
 897 <div class="doc_text">
 898
 899 <p>The <tt>-count-aa</tt> pass is useful to see how many queries a particular
 900 pass is making and what responses are returned by the alias analysis.  An
 901 example usage is:</p>
 902
 903 <pre>
 904   $ opt -basicaa -count-aa -ds-aa -count-aa -licm
 905 </pre>
 906
 907 <p>Which will print out how many queries (and what responses are returned) by
 908 the <tt>-licm</tt> pass (of the <tt>-ds-aa</tt> pass) and how many queries are
 909 made of the <tt>-basicaa</tt> pass by the <tt>-ds-aa</tt> pass.  This can be
 910 useful when debugging a transformation or an alias analysis implementation.</p>
 911
 912 </div>
 913
 914 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 915 <div class="doc_subsubsection">
 916   <a name="aa-eval">The <tt>-aa-eval</tt> pass</a>
 917 </div>
 918
 919 <div class="doc_text">
 920
 921 <p>The <tt>-aa-eval</tt> pass simply iterates through all pairs of pointers in a
 922 function and asks an alias analysis whether or not the pointers alias.  This
 923 gives an indication of the precision of the alias analysis.  Statistics are
 924 printed indicating the percent of no/may/must aliases found (a more precise
 925 algorithm will have a lower number of may aliases).</p>
 926
 927 </div>
 928
 929 <!-- *********************************************************************** -->
 930
 931 <hr>
 932 <address>
 933   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
 934   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss" alt="Valid CSS!"></a>
 935   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
 936   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401" alt="Valid HTML 4.01!"></a>
 937
 938   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
 939   <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu">LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
 940   Last modified: $Date$
 941 </address>
 942
 943 </body>
 944 </html>