docs/WritingAnLLVMPass.html

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN">
   2 <html><head><title>Writing an LLVM Pass</title></head>
   3
   4 <body bgcolor=white>
   5
   6 <table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
   7 <tr><td>&nbsp; <font size=+3 color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino,Times,Roman"><b>Writing an LLVM Pass</b></font></td>
   8 </tr></table>
   9
  10
  11 <ol>
  12   <li><a href="#introduction">Introduction - What is a pass?</a>
  13   <li><a href="#quickstart">Quick Start - Writing hello world</a>
  14     <ul>
  15     <li><a href="#makefile">Setting up the build environment</a>
  16     <li><a href="#basiccode">Basic code required</a>
  17     <li><a href="#running">Running a pass with <tt>opt</tt>
  18          or <tt>analyze</tt></a>
  19     </ul>
  20   <li><a href="#passtype">Pass classes and requirements</a>
  21      <ul>
  22      <li><a href="#ImmutablePass">The <tt>ImmutablePass</tt> class</a>
  23      <li><a href="#Pass">The <tt>Pass</tt> class</a>
  24         <ul>
  25         <li><a href="#run">The <tt>run</tt> method</a>
  26         </ul>
  27      <li><a href="#FunctionPass">The <tt>FunctionPass</tt> class</a>
  28         <ul>
  29         <li><a href="#doInitialization_mod">The <tt>doInitialization(Module
  30                                             &amp;)</tt> method</a>
  31         <li><a href="#runOnFunction">The <tt>runOnFunction</tt> method</a>
  32         <li><a href="#doFinalization_mod">The <tt>doFinalization(Module
  33                                             &amp;)</tt> method</a>
  34         </ul>
  35      <li><a href="#BasicBlockPass">The <tt>BasicBlockPass</tt> class</a>
  36         <ul>
  37         <li><a href="#doInitialization_fn">The <tt>doInitialization(Function
  38                                              &amp;)</tt> method</a>
  39         <li><a href="#runOnBasicBlock">The <tt>runOnBasicBlock</tt> method</a>
  40         <li><a href="#doFinalization_fn">The <tt>doFinalization(Function
  41                                              &amp;)</tt> method</a>
  42         </ul>
  43      <li><a href="#MachineFunctionPass">The <tt>MachineFunctionPass</tt>
  44                                         class</a>
  45         <ul>
  46         <li><a href="#runOnMachineFunction">The
  47             <tt>runOnMachineFunction(MachineFunction &amp;)</tt> method</a>
  48         </ul>
  49      </ul>
  50   <li><a href="#registration">Pass Registration</a>
  51      <ul>
  52      <li><a href="#print">The <tt>print</tt> method</a>
  53      </ul>
  54   <li><a href="#interaction">Specifying interactions between passes</a>
  55      <ul>
  56      <li><a href="#getAnalysisUsage">The <tt>getAnalysisUsage</tt> method</a>
  57      <li><a href="#getAnalysis">The <tt>getAnalysis</tt> method</a>
  58      </ul>
  59   <li><a href="#analysisgroup">Implementing Analysis Groups</a>
  60      <ul>
  61      <li><a href="#agconcepts">Analysis Group Concepts</a>
  62      <li><a href="#registerag">Using <tt>RegisterAnalysisGroup</tt></a>
  63      </ul>
  64   <li><a href="#passmanager">What PassManager does</a>
  65     <ul>
  66     <li><a href="#releaseMemory">The <tt>releaseMemory</tt> method</a>
  67     </ul>
  68   <li><a href="#debughints">Using GDB with dynamically loaded passes</a>
  69     <ul>
  70     <li><a href="#breakpoint">Setting a breakpoint in your pass
  71     <li><a href="#debugmisc">Miscellaneous Problems
  72     </ul>
  73   <li><a href="#future">Future extensions planned</a>
  74     <ul>
  75     <li><a href="#SMP">Multithreaded LLVM</a>
  76     <li><a href="#ModuleSource">A new <tt>ModuleSource</tt> interface</a>
  77     <li><a href="#PassFunctionPass"><tt>Pass</tt>'s requiring <tt>FunctionPass</tt>'s</a>
  78     </ul>
  79
  80   <p><b>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a></b><p>
  81 </ol><p>
  82
  83
  84
  85 <!-- *********************************************************************** -->
  86 <table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
  87 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
  88 <a name="introduction">Introduction - What is a pass?
  89 </b></font></td></tr></table><ul>
  90 <!-- *********************************************************************** -->
  91
  92 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
  93 passes are where the interesting parts of the compiler exist.  Passes perform
  94 the transformations and optimizations that make up the compiler, they build
  95 the analysis results that are used by these transformations, and they are, above
  96 all, a structuring technique for compiler code.<p>
  97
  98 All LLVM passes are subclasses of the <tt><a
  99 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classPass.html">Pass</a></tt> class, which
 100 implement functionality by overriding virtual methods inherited from
 101 <tt>Pass</tt>.  Depending on how your pass works, you may be able to inherit
 102 from the <tt><a
 103 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structFunctionPass.html">FunctionPass</a></tt>
 104 or <tt><a
 105 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structBasicBlockPass.html">BasicBlockPass</a></tt>,
 106 which gives the system more information about what your pass does, and how it
 107 can be combined with other passes.  One of the main features of the LLVM Pass
 108 Framework is that it schedules passes to run in an efficient way based on the
 109 constraints that your pass has.<p>
 110
 111 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
 112 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
 113 advanced features are discussed.<p>
 114
 115
 116 <!-- *********************************************************************** -->
 117 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 118 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 119 <a name="quickstart">Quick Start - Writing hello world
 120 </b></font></td></tr></table><ul>
 121 <!-- *********************************************************************** -->
 122
 123 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
 124 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
 125 the program being compiled.  It does not modify the program at all, just
 126 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
 127 source tree in the <tt>lib/Transforms/Hello</tt> directory.<p>
 128
 129
 130 <!-- ======================================================================= -->
 131 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 132 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 133 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 134 <a name="makefile">Setting up the build environment
 135 </b></font></td></tr></table><ul>
 136
 137 First thing you need to do is create a new directory somewhere in the LLVM
 138 source base.  For this example, we'll assume that you made
 139 "<tt>lib/Transforms/Hello</tt>".  The first thing you must do is set up a build
 140 script (Makefile) that will compile the source code for the new pass.  To do
 141 this, copy this into "<tt>Makefile</tt>":<p>
 142
 143 </ul><hr><ul><pre>
 144 # Makefile for hello pass
 145
 146 # Path to top level of LLVM heirarchy
 147 LEVEL = ../../..
 148
 149 # Name of the library to build
 150 LIBRARYNAME = hello
 151
 152 # Build a dynamically loadable shared object
 153 SHARED_LIBRARY = 1
 154
 155 # Include the makefile implementation stuff
 156 include $(LEVEL)/Makefile.common
 157 </pre></ul><hr><ul><p>
 158
 159 This makefile specifies that all of the <tt>.cpp</tt> files in the current
 160 directory are to be compiled and linked together into a
 161 <tt>lib/Debug/libhello.so</tt> shared object that can be dynamically loaded by
 162 the <tt>opt</tt> or <tt>analyze</tt> tools.<p>
 163
 164 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
 165 the pass itself.<p>
 166
 167
 168 <!-- ======================================================================= -->
 169 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 170 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 171 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 172 <a name="basiccode">Basic code required
 173 </b></font></td></tr></table><ul>
 174
 175 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.  Start
 176 out with:<p>
 177
 178 <pre>
 179 <b>#include</b> "<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/Pass_8h-source.html">llvm/Pass.h</a>"
 180 <b>#include</b> "<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/Function_8h-source.html">llvm/Function.h</a>"
 181 </pre>
 182
 183 Which are needed because we are writing a <tt><a
 184 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classPass.html">Pass</a></tt>, and we are
 185 operating on <tt><a
 186 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classFunction.html">Function</a></tt>'s.<p>
 187
 188 Next we have:<p>
 189
 190 <pre>
 191 <b>namespace</b> {
 192 </pre><p>
 193
 194 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
 195 what the "<tt>static</tt>" keyword is to C (at global scope).  It makes the
 196 things declared inside of the anonymous namespace only visible to the current
 197 file.  If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
 198 information.<p>
 199
 200 Next, we declare our pass itself:<p>
 201
 202 <pre>
 203   <b>struct</b> Hello : <b>public</b> <a href="#FunctionPass">FunctionPass</a> {
 204 </pre><p>
 205
 206 This declares a "<tt>Hello</tt>" class that is a subclass of <tt><a
 207 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structFunctionPass.html">FunctionPass</a></tt>.
 208 The different builtin pass subclasses are described in detail <a
 209 href="#passtype">later</a>, but for now, know that <a href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s
 210 operate a function at a time.<p>
 211
 212 <pre>
 213     <b>virtual bool</b> <a href="#runOnFunction">runOnFunction</a>(Function &F) {
 214       std::cerr &lt;&lt; "<i>Hello: </i>" &lt;&lt; F.getName() &lt;&lt; "\n";
 215       <b>return false</b>;
 216     }
 217   };  <i>// end of struct Hello</i>
 218 </pre>
 219
 220 We declare a "<a href="#runOnFunction"><tt>runOnFunction</tt></a>" method, which
 221 overloads an abstract virtual method inherited from <a
 222 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>.  This is where we are supposed
 223 to do our thing, so we just print out our message with the name of each
 224 function.<p>
 225
 226 <pre>
 227   RegisterOpt&lt;Hello&gt; X("<i>hello</i>", "<i>Hello World Pass</i>");
 228 }  <i>// end of anonymous namespace</i>
 229 </pre><p>
 230
 231 Lastly, we register our class <tt>Hello</tt>, giving it a command line argument
 232 "<tt>hello</tt>", and a name "<tt>Hello World Pass</tt>".  There are several
 233 different ways of <a href="#registration">registering your pass</a>, depending
 234 on what it is to be used for.  For "optimizations" we use the
 235 <tt>RegisterOpt</tt> template.<p>
 236
 237 As a whole, the <tt>.cpp</tt> file looks like:<p>
 238
 239 <pre>
 240 <b>#include</b> "<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/Pass_8h-source.html">llvm/Pass.h</a>"
 241 <b>#include</b> "<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/Function_8h-source.html">llvm/Function.h</a>"
 242
 243 <b>namespace</b> {
 244   <b>struct Hello</b> : <b>public</b> <a href="#FunctionPass">FunctionPass</a> {
 245     <b>virtual bool</b> <a href="#runOnFunction">runOnFunction</a>(Function &F) {
 246       std::cerr &lt;&lt; "<i>Hello: </i>" &lt;&lt; F.getName() &lt;&lt; "\n";
 247       <b>return false</b>;
 248     }
 249   };
 250
 251   RegisterOpt&lt;Hello&gt; X("<i>hello</i>", "<i>Hello World Pass</i>");
 252 }
 253 </pre><p>
 254
 255 Now that it's all together, compile the file with a simple "<tt>gmake</tt>"
 256 command in the local directory and you should get a new
 257 "<tt>lib/Debug/libhello.so</tt> file.  Note that everything in this file is
 258 contained in an anonymous namespace: this reflects the fact that passes are self
 259 contained units that do not need external interfaces (although they can have
 260 them) to be useful.<p>
 261
 262
 263 <!-- ======================================================================= -->
 264 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 265 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 266 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 267 <a name="running">Running a pass with <tt>opt</tt> or <tt>analyze</tt>
 268 </b></font></td></tr></table><ul>
 269
 270 Now that you have a brand new shiny <tt>.so</tt> file, we can use the
 271 <tt>opt</tt> command to run an LLVM program through your pass.  Because you
 272 registered your pass with the <tt>RegisterOpt</tt> template, you will be able to
 273 use the <tt>opt</tt> tool to access it, once loaded.<p>
 274
 275 To test it, follow the example at the end of the <a
 276 href="GettingStarted.html">Getting Started Guide</a> to compile "Hello World" to
 277 LLVM.  We can now run the bytecode file (<tt>hello.bc</tt>) for the program
 278 through our transformation like this (or course, any bytecode file will
 279 work):<p>
 280
 281 <pre>
 282 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so -hello &lt; hello.bc &gt; /dev/null
 283 Hello: __main
 284 Hello: puts
 285 Hello: main
 286 </pre><p>
 287
 288 The '<tt>-load</tt>' option specifies that '<tt>opt</tt>' should load your pass
 289 as a shared object, which makes '<tt>-hello</tt>' a valid command line argument
 290 (which is one reason you need to <a href="#registration">register your
 291 pass</a>).  Because the hello pass does not modify the program in any
 292 interesting way, we just throw away the result of <tt>opt</tt> (sending it to
 293 <tt>/dev/null</tt>).<p>
 294
 295 To see what happened to the other string you registered, try running
 296 <tt>opt</tt> with the <tt>--help</tt> option:<p>
 297
 298 <pre>
 299 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so --help
 300 OVERVIEW: llvm .bc -&gt; .bc modular optimizer
 301
 302 USAGE: opt [options] &lt;input bytecode&gt;
 303
 304 OPTIONS:
 305   Optimizations available:
 306 ...
 307     -funcresolve    - Resolve Functions
 308     -gcse           - Global Common Subexpression Elimination
 309     -globaldce      - Dead Global Elimination
 310     <b>-hello          - Hello World Pass</b>
 311     -indvars        - Canonicalize Induction Variables
 312     -inline         - Function Integration/Inlining
 313     -instcombine    - Combine redundant instructions
 314 ...
 315 </pre><p>
 316
 317 The pass name get added as the information string for your pass, giving some
 318 documentation to users of <tt>opt</tt>.  Now that you have a working pass, you
 319 would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you get
 320 it all working and tested, it may become useful to find out how fast your pass
 321 is.  The <a href="#passManager"><tt>PassManager</tt></a> provides a nice command
 322 line option (<tt>--time-passes</tt>) that allows you to get information about
 323 the execution time of your pass along with the other passes you queue up.  For
 324 example:<p>
 325
 326 <pre>
 327 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so -hello -time-passes &lt; hello.bc &gt; /dev/null
 328 Hello: __main
 329 Hello: puts
 330 Hello: main
 331 ===============================================================================
 332                       ... Pass execution timing report ...
 333 ===============================================================================
 334   Total Execution Time: 0.02 seconds (0.0479059 wall clock)
 335
 336    ---User Time---   --System Time--   --User+System--   ---Wall Time---  --- Pass Name ---
 337    0.0100 (100.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0402 ( 84.0%)  Bytecode Writer
 338    0.0000 (  0.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0031 (  6.4%)  Dominator Set Construction
 339    0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0013 (  2.7%)  Module Verifier
 340  <b>  0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0033 (  6.9%)  Hello World Pass</b>
 341    0.0100 (100.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0200 (100.0%)   0.0479 (100.0%)  TOTAL
 342 </pre><p>
 343
 344 As you can see, our implementation above is pretty fast :).  The additional
 345 passes listed are automatically inserted by the '<tt>opt</tt>' tool to verify
 346 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
 347 hasn't been broken somehow.
 348
 349 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
 350 about some more details of how they work and how to use them.<p>
 351
 352
 353
 354 <!-- *********************************************************************** -->
 355 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 356 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 357 <a name="passtype">Pass classes and requirements
 358 </b></font></td></tr></table><ul>
 359 <!-- *********************************************************************** -->
 360
 361 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
 362 decide what class you should subclass for your pass.  The <a
 363 href="#basiccode">Hello World</a> example uses the <tt><a
 364 href="#FunctionPass">FunctionPass</a></tt> class for its implementation, but we
 365 did not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
 366 available, from the most general to the most specific.<p>
 367
 368 When choosing a superclass for your Pass, you should choose the <b>most
 369 specific</b> class possible, while still being able to meet the requirements
 370 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
 371 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unneccesarily
 372 slow.<p>
 373
 374
 375 <!-- ======================================================================= -->
 376 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 377 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 378 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 379 <a name="ImmutablePass">The <tt>ImmutablePass</tt> class
 380 </b></font></td></tr></table><ul>
 381
 382 The most plain and boring type of pass is the "<tt><a
 383 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structImmutablePass.html">ImmutablePass</a></tt>"
 384 class.  This pass type is used for passes that do not have to be run, do not
 385 change state, and never need to be updated.  This is not a normal type of
 386 transformation or analysis, but can provide information about the current
 387 compiler configuration.<p>
 388
 389 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
 390 providing information about the current target machine being compiled for, and
 391 other static information that can affect the various transformations.<p>
 392
 393 <tt>ImmutablePass</tt>'s never invalidate other transformations, are never
 394 invalidated, and are never "run".<p>
 395
 396
 397 <!-- ======================================================================= -->
 398 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 399 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 400 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 401 <a name="Pass">The <tt>Pass</tt> class
 402 </b></font></td></tr></table><ul>
 403
 404 The "<tt><a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classPass.html">Pass</a></tt>"
 405 class is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
 406 <tt>Pass</tt> indicates that your pass uses the entire program as a unit,
 407 refering to function bodies in no predictable order, or adding and removing
 408 functions.  Because nothing is known about the behavior of direct <tt>Pass</tt>
 409 subclasses, no optimization can be done for their execution.<p>
 410
 411 To write a correct <tt>Pass</tt> subclass, derive from <tt>Pass</tt> and
 412 overload the <tt>run</tt> method with the following signature:<p>
 413
 414 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 415 </ul><h4><a name="run"><hr size=0>The <tt>run</tt> method</h4><ul>
 416
 417
 418 <pre>
 419   <b>virtual bool</b> run(Module &amp;M) = 0;
 420 </pre><p>
 421
 422 The <tt>run</tt> method performs the interesting work of the pass, and should
 423 return true if the module was modified by the transformation, false
 424 otherwise.<p>
 425
 426
 427
 428 <!-- ======================================================================= -->
 429 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 430 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 431 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 432 <a name="FunctionPass">The <tt>FunctionPass</tt> class
 433 </b></font></td></tr></table><ul>
 434
 435 In contrast to direct <tt>Pass</tt> subclasses, direct <tt><a
 436 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classPass.html">FunctionPass</a></tt>
 437 subclasses do have a predictable, local behavior that can be expected by the
 438 system.  All <tt>FunctionPass</tt> execute on each function in the program
 439 independent of all of the other functions in the program.
 440 <tt>FunctionPass</tt>'s do not require that they are executed in a particular
 441 order, and <tt>FunctionPass</tt>'s do not modify external functions.<p>
 442
 443 To be explicit, <tt>FunctionPass</tt> subclasses are not allowed to:<p>
 444
 445 <ol>
 446 <li>Modify a Function other than the one currently being processed.
 447 <li>Add or remove Function's from the current Module.
 448 <li>Add or remove global variables from the current Module.
 449 <li>Maintain state across invocations of
 450     <a href="#runOnFunction"><tt>runOnFunction</tt></a> (including global data)
 451 </ol><p>
 452
 453 Implementing a <tt>FunctionPass</tt> is usually straightforward (See the <a
 454 href="#basiccode">Hello World</a> pass for example).  <tt>FunctionPass</tt>'s
 455 may overload three virtual methods to do their work.  All of these methods
 456 should return true if they modified the program, or false if they didn't.<p>
 457
 458 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 459 </ul><h4><a name="doInitialization_mod"><hr size=0>The
 460 <tt>doInitialization(Module &amp;)</tt> method</h4><ul>
 461
 462 <pre>
 463   <b>virtual bool</b> doInitialization(Module &amp;M);
 464 </pre><p>
 465
 466 The <tt>doIninitialize</tt> method is allowed to do most of the things that
 467 <tt>FunctionPass</tt>'s are not allowed to do.  They can add and remove
 468 functions, get pointers to functions, etc.  The <tt>doInitialization</tt> method
 469 is designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on
 470 the functions being processed.  The <tt>doInitialization</tt> method call is not
 471 scheduled to overlap with any other pass executions (thus it should be very
 472 fast).<p>
 473
 474 A good example of how this method should be used is the <a
 475 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html">LowerAllocations</a>
 476 pass.  This pass converts <tt>malloc</tt> and <tt>free</tt> instructions into
 477 platform dependent <tt>malloc()</tt> and <tt>free()</tt> function calls.  It
 478 uses the <tt>doInitialization</tt> method to get a reference to the malloc and
 479 free functions that it needs, adding prototypes to the module if necessary.<p>
 480
 481 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 482 </ul><h4><a name="runOnFunction"><hr size=0>The <tt>runOnFunction</tt> method</h4><ul>
 483
 484 <pre>
 485   <b>virtual bool</b> runOnFunction(Function &amp;F) = 0;
 486 </pre><p>
 487
 488 The <tt>runOnFunction</tt> method must be implemented by your subclass to do the
 489 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
 490 returned if the function is modified.<p>
 491
 492 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 493 </ul><h4><a name="doFinalization_mod"><hr size=0>The <tt>doFinalization(Module &amp;)</tt> method</h4><ul>
 494
 495 <pre>
 496   <b>virtual bool</b> doFinalization(Module &amp;M);
 497 </pre></p>
 498
 499 The <tt>doFinalization</tt> method is an infrequently used method that is called
 500 when the pass framework has finished calling <a
 501 href="#runOnFunction"><tt>runOnFunction</tt></a> for every function in the
 502 program being compiled.<p>
 503
 504
 505
 506 <!-- ======================================================================= -->
 507 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 508 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 509 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 510 <a name="BasicBlockPass">The <tt>BasicBlockPass</tt> class</a>
 511 </b></font></td></tr></table><ul>
 512
 513 <tt>BasicBlockPass</tt>'s are just like <a
 514 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s, except that they must limit
 515 their scope of inspection and modification to a single basic block at a time.
 516 As such, they are <b>not</b> allowed to do any of the following:<p>
 517
 518 <ol>
 519 <li>Modify or inspect any basic blocks outside of the current one
 520 <li>Maintain state across invocations of
 521     <a href="#runOnBasicBlock"><tt>runOnBasicBlock</tt></a>
 522 <li>Modify the constrol flow graph (by altering terminator instructions)
 523 <li>Any of the things verboten for
 524     <a href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s.
 525 </ol><p>
 526
 527 <tt>BasicBlockPass</tt>'s are useful for traditional local and "peephole"
 528 optimizations.  They may override the same <a
 529 href="#doInitialization_mod"><tt>doInitialization(Module &amp;)</tt></a> and <a
 530 href="#doFinalization_mod"><tt>doFinalization(Module &amp;)</tt></a> methods that <a
 531 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s have, but also have the following virtual methods that may also be implemented:<p>
 532
 533 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 534 </ul><h4><a name="doInitialization_fn"><hr size=0>The
 535 <tt>doInitialization(Function &amp;)</tt> method</h4><ul>
 536
 537 <pre>
 538   <b>virtual bool</b> doInitialization(Function &amp;F);
 539 </pre><p>
 540
 541 The <tt>doIninitialize</tt> method is allowed to do most of the things that
 542 <tt>BasicBlockPass</tt>'s are not allowed to do, but that
 543 <tt>FunctionPass</tt>'s can.  The <tt>doInitialization</tt> method is designed
 544 to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
 545 BasicBlocks being processed.  The <tt>doInitialization</tt> method call is not
 546 scheduled to overlap with any other pass executions (thus it should be very
 547 fast).<p>
 548
 549
 550 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 551 </ul><h4><a name="runOnBasicBlock"><hr size=0>The <tt>runOnBasicBlock</tt> method</h4><ul>
 552
 553 <pre>
 554   <b>virtual bool</b> runOnBasicBlock(BasicBlock &amp;BB) = 0;
 555 </pre><p>
 556
 557 Override this function to do the work of the <tt>BasicBlockPass</tt>.  This
 558 function is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the
 559 parameter, and are not allowed to modify the CFG.  A true value must be returned
 560 if the basic block is modified.<p>
 561
 562
 563 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 564 </ul><h4><a name="doFinalization_fn"><hr size=0>The <tt>doFinalization(Function
 565 &amp;)</tt> method</h4><ul>
 566
 567 <pre>
 568   <b>virtual bool</b> doFinalization(Function &amp;F);
 569 </pre></p>
 570
 571 The <tt>doFinalization</tt> method is an infrequently used method that is called
 572 when the pass framework has finished calling <a
 573 href="#runOnBasicBlock"><tt>runOnBasicBlock</tt></a> for every BasicBlock in the
 574 program being compiled.  This can be used to perform per-function
 575 finalization.<p>
 576
 577
 578 <!-- ======================================================================= -->
 579 </ul><table width="100%" bgcolor="#441188" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 580 <tr><td>&nbsp;</td><td width="100%">&nbsp;
 581 <font color="#EEEEFF" face="Georgia,Palatino"><b>
 582 <a name="MachineFunctionPass">The <tt>MachineFunctionPass</tt> class
 583 </b></font></td></tr></table><ul>
 584
 585 A <tt>MachineFunctionPass</tt> executes on the machine-dependent
 586 representation of each LLVM function in the program,
 587 independent of all of the other functions in the program.
 588 A <tt>MachineFunctionPass</tt> is also a <tt>FunctionPass</tt>, so all
 589 the restrictions that apply to a <tt>FunctionPass</tt> also apply to it.
 590 <tt>MachineFunctionPass</tt>es also have additional restrictions. In
 591 particular, <tt>MachineFunctionPass</tt>es are not allowed to do any of
 592 the following:
 593
 594 <ol>
 595 <li>Modify any LLVM Instructions, BasicBlocks or Functions.
 596 <li>Modify a MachineFunction other than the one currently being processed.
 597 <li>Add or remove MachineFunctions from the current Module.
 598 <li>Add or remove global variables from the current Module.
 599 <li>Maintain state across invocations of
 600     <a href="#runOnMachineFunction"><tt>runOnMachineFunction</tt></a> (including global data)
 601 </ol><p>
 602
 603
 604 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 605 </ul><h4><a name="runOnMachineFunction"><hr size=0>The
 606 <tt>runOnMachineFunction(MachineFunction &amp;MF)</tt> method</h4><ul>
 607
 608 <pre>
 609   <b>virtual bool</b> runOnMachineFunction(MachineFunction &amp;MF) = 0;
 610 </pre></p>
 611
 612 <tt>runOnMachineFunction</tt> can be considered the main entry point
 613 of a <tt>MachineFunctionPass</tt>; that is, you should override this
 614 method to do the work of your <tt>MachineFunctionPass</tt>. <p>
 615
 616 The <tt>runOnMachineFunction</tt> method is called on every
 617 <tt>MachineFunction</tt> in a <tt>Module</tt>, so that the
 618 <tt>MachineFunctionPass</tt> may perform optimizations on the
 619 machine-dependent representation of the function. If you want to get
 620 at the LLVM <tt>Function</tt> for the <tt>MachineFunction</tt> you're
 621 working on, use <tt>MachineFunction</tt>'s <tt>getFunction()</tt>
 622 accessor method -- but remember, you may not modify the LLVM
 623 <tt>Function</tt> or its contents from a
 624 <tt>MachineFunctionPass</tt>. <p>
 625
 626 <!-- *********************************************************************** -->
 627 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 628 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 629 <a name="registration">Pass registration
 630 </b></font></td></tr></table><ul>
 631 <!-- *********************************************************************** -->
 632
 633 In the <a href="#basiccode">Hello World</a> example pass we illustrated how pass
 634 registration works, and discussed some of the reasons that it is used and what
 635 it does.  Here we discuss how and why passes are registered.<p>
 636
 637 Passes can be registered in several different ways.  Depending on the general
 638 classification of the pass, you should use one of the following templates to
 639 register the pass:<p>
 640
 641 <ul>
 642 <li><b><tt>RegisterOpt</tt></b> - This template should be used when you are
 643 registering a pass that logically should be available for use in the
 644 '<tt>opt</tt>' utility.<p>
 645
 646 <li><b><tt>RegisterAnalysis</tt></b> - This template should be used when you are
 647 registering a pass that logically should be available for use in the
 648 '<tt>analysis</tt>' utility.<p>
 649
 650 <li><b><tt>RegisterLLC</tt></b> - This template should be used when you are
 651 registering a pass that logically should be available for use in the
 652 '<tt>llc</tt>' utility.<p>
 653
 654 <li><b><tt>RegisterPass</tt></b> - This is the generic form of the
 655 <tt>Register*</tt> templates that should be used if you want your pass listed by
 656 multiple or no utilities.  This template takes an extra third argument that
 657 specifies which tools it should be listed in.  See the <a
 658 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/PassSupport_8h-source.html">PassSupport.h</a>
 659 file for more information.<p>
 660 </ul><p>
 661
 662 Regardless of how you register your pass, you must specify at least two
 663 parameters.  The first parameter is the name of the pass that is to be used on
 664 the command line to specify that the pass should be added to a program (for
 665 example <tt>opt</tt> or <tt>analyze</tt>).  The second argument is the name of
 666 the pass, which is to be used for the <tt>--help</tt> output of programs, as
 667 well as for debug output generated by the <tt>--debug-pass</tt> option.<p>
 668
 669 If you pass is constructed by its default constructor, you only ever have to
 670 pass these two arguments.  If, on the other hand, you require other information
 671 (like target specific information), you must pass an additional argument.  This
 672 argument is a pointer to a function used to create the pass.  For an example of
 673 how this works, look at the <a
 674 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html">LowerAllocations.cpp</a>
 675 file.<p>
 676
 677 If a pass is registered to be used by the <tt>analyze</tt> utility, you should
 678 implement the virtual <tt>print</tt> method:<p>
 679
 680 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 681 </ul><h4><a name="print"><hr size=0>The <tt>print</tt> method</h4><ul>
 682
 683 <pre>
 684   <b>virtual void</b> print(std::ostream &amp;O, <b>const</b> Module *M) <b>const</b>;
 685 </pre><p>
 686
 687 The <tt>print</tt> method must be implemented by "analyses" in order to print a
 688 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging an
 689 analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
 690 works.  The <tt>analyze</tt> tool uses this method to generate its output.<p>
 691
 692 The <tt>ostream</tt> parameter specifies the stream to write the results on, and
 693 the <tt>Module</tt> parameter gives a pointer to the top level module of the
 694 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be null in
 695 certain circumstances (such as calling the <tt>Pass::dump()</tt> from a
 696 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
 697 depended on.<p>
 698
 699
 700 <!-- *********************************************************************** -->
 701 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 702 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 703 <a name="interaction">Specifying interactions between passes
 704 </b></font></td></tr></table><ul>
 705 <!-- *********************************************************************** -->
 706
 707 One of the main responsibilities of the <tt>PassManager</tt> is the make sure
 708 that passes interact with each other correctly.  Because <tt>PassManager</tt>
 709 tries to <a href="#passmanager">optimize the execution of passes</a> it must
 710 know how the passes interact with each other and what dependencies exist between
 711 the various passes.  To track this, each pass can declare the set of passes that
 712 are required to be executed before the current pass, and the passes which are
 713 invalidated by the current pass.<p>
 714
 715 Typically this functionality is used to require that analysis results are
 716 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
 717 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
 718 specifies.  If a pass does not implement the <tt><a
 719 href="#getAnalysisUsage">getAnalysisUsage</a></tt> method, it defaults to not
 720 having any prerequisite passes, and invalidating <b>all</b> other passes.<p>
 721
 722
 723 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 724 </ul><h4><a name="getAnalysisUsage"><hr size=0>The <tt>getAnalysisUsage</tt> method</h4><ul>
 725
 726 <pre>
 727   <b>virtual void</b> getAnalysisUsage(AnalysisUsage &amp;Info) <b>const</b>;
 728 </pre><p>
 729
 730 By implementing the <tt>getAnalysisUsage</tt> method, the required and
 731 invalidated sets may be specified for your transformation.  The implementation
 732 should fill in the <tt><a
 733 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classAnalysisUsage.html">AnalysisUsage</a></tt>
 734 object with information about which passes are required and not invalidated.  To do this, the following set methods are provided by the <tt><a
 735 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classAnalysisUsage.html">AnalysisUsage</a></tt> class:<p>
 736
 737 <pre>
 738   <i>// addRequires - Add the specified pass to the required set for your pass.</i>
 739   <b>template</b>&lt;<b>class</b> PassClass&gt;
 740   AnalysisUsage &amp;AnalysisUsage::addRequired();
 741
 742   <i>// addPreserved - Add the specified pass to the set of analyses preserved by
 743   // this pass</i>
 744   <b>template</b>&lt;<b>class</b> PassClass&gt;
 745   AnalysisUsage &amp;AnalysisUsage::addPreserved();
 746
 747   <i>// setPreservesAll - Call this if the pass does not modify its input at all</i>
 748   <b>void</b> AnalysisUsage::setPreservesAll();
 749
 750   <i>// setPreservesCFG - This function should be called by the pass, iff they do not:
 751   //
 752   //  1. Add or remove basic blocks from the function
 753   //  2. Modify terminator instructions in any way.
 754   //
 755   //  This is automatically implied for <a href="#BasicBlockPass">BasicBlockPass</a>'s
 756   //</i>
 757   <b>void</b> AnalysisUsage::setPreservesCFG();
 758 </pre><p>
 759
 760 Some examples of how to use these methods are:<p>
 761
 762 <pre>
 763   <i>// This is an example implementation from an analysis, which does not modify
 764   // the program at all, yet has a prerequisite.</i>
 765   <b>void</b> <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structPostDominanceFrontier.html">PostDominanceFrontier</a>::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &amp;AU) <b>const</b> {
 766     AU.setPreservesAll();
 767     AU.addRequired&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structPostDominatorTree.html">PostDominatorTree</a>&gt;();
 768   }
 769 </pre><p>
 770
 771 and:<p>
 772
 773 <pre>
 774   <i>// This example modifies the program, but does not modify the CFG</i>
 775   <b>void</b> <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structLICM.html">LICM</a>::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &amp;AU) <b>const</b> {
 776     AU.setPreservesCFG();
 777     AU.addRequired&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classLoopInfo.html">LoopInfo</a>&gt;();
 778   }
 779 </pre><p>
 780
 781 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 782 </ul><h4><a name="getAnalysis"><hr size=0>The <tt>getAnalysis&lt;&gt;</tt> method</h4><ul>
 783
 784 The <tt>Pass::getAnalysis&lt;&gt;</tt> method is inherited by your class,
 785 providing you with access to the passes that you declared that you required with
 786 the <a href="#getAnalysisUsage"><tt>getAnalysisUsage</tt></a> method.  It takes
 787 a single template argument that specifies which pass class you want, and returns
 788 a reference to that pass.<p>
 789
 790 <pre>
 791   <b>template</b>&lt;<b>typename</b> PassClass&gt;
 792   AnalysisType &amp;getAnalysis();
 793 </pre><p>
 794
 795 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a runtime
 796 assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not declare as
 797 required in your <a href="#getAnalysisUsage"><tt>getAnalysisUsage</tt></a>
 798 implementation.  This method can be called by your <tt>run*</tt> method
 799 implementation, or by any other local method invoked by your <tt>run*</tt>
 800 method.<p>
 801
 802 <!-- *********************************************************************** -->
 803 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 804 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 805 <a name="analysisgroup">Implementing Analysis Groups
 806 </b></font></td></tr></table><ul>
 807 <!-- *********************************************************************** -->
 808
 809 Now that we understand the basics of how passes are defined, how the are used,
 810 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
 811 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
 812 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can run.
 813 For many applications, this is great, for others, more flexibility is
 814 required.<p>
 815
 816 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
 817 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
 818 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
 819 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
 820 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
 821 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
 822 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
 823 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
 824 Analysis Groups.<p>
 825
 826 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 827 </ul><h4><a name="agconcepts"><hr size=0>Analysis Group Concepts</h4><ul>
 828
 829 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
 830 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
 831 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the <tt>Pass</tt>
 832 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
 833 the "default" implementation.<p>
 834
 835 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
 836 <tt>AnalysisUsage::addRequired()</tt> and <tt>Pass::getAnalysis()</tt> methods.
 837 In order to resolve this requirement, the <a href="#passmanager">PassManager</a>
 838 scans the available passes to see if any implementations of the analysis group
 839 are available.  If none is available, the default implementation is created for
 840 the pass to use.  All standard rules for <A href="#interaction">interaction
 841 between passes</a> still apply.<p>
 842
 843 Although <a href="#registration">Pass Registration</a> is optional for normal
 844 passes, all analysis group implementations must be registered, and must use the
 845 <A href="#registerag"><tt>RegisterAnalysisGroup</tt></a> template to join the
 846 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface
 847 <b>must</b> be registered with <A
 848 href="#registerag"><tt>RegisterAnalysisGroup</tt></a>.<p>
 849
 850 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the <a
 851 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a>
 852 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface (the
 853 <tt><a
 854 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html">basicaa</a></tt>
 855 pass) just does a few simple checks that don't require significant analysis to
 856 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
 857 Passes that use the <tt><a
 858 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a></tt>
 859 interface (for example the <tt><a
 860 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classGCSE.html">gcse</a></tt> pass), do not care which implementation
 861 of alias analysis is actually provided, they just use the designated
 862 interface.<p>
 863
 864 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
 865 command '<tt>opt -gcse ...</tt>' will cause the <tt>basicaa</tt> class to be
 866 instantiated and added to the pass sequence.  Issuing the command '<tt>opt
 867 -somefancyaa -gcse ...</tt>' will cause the <tt>gcse</tt> pass to use the
 868 <tt>somefancyaa</tt> alias analysis (which doesn't actually exist, it's just a
 869 hypothetical example) instead.<p>
 870
 871
 872 <!-- _______________________________________________________________________ -->
 873 </ul><h4><a name="registerag"><hr size=0>Using <tt>RegisterAnalysisGroup</tt></h4><ul>
 874
 875 The <tt>RegisterAnalysisGroup</tt> template is used to register the analysis
 876 group itself as well as add pass implementations to the analysis group.  First,
 877 an analysis should be registered, with a human readable name provided for it.
 878 Unlike registration of passes, there is no command line argument to be specified
 879 for the Analysis Group Interface itself, because it is "abstract":<p>
 880
 881 <pre>
 882   <b>static</b> RegisterAnalysisGroup&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a>&gt; A("<i>Alias Analysis</i>");
 883 </pre><p>
 884
 885 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
 886 implementations of the interface by using the following code:<p>
 887
 888 <pre>
 889 <b>namespace</b> {
 890   //<i> Analysis Group implementations <b>must</b> be registered normally...</i>
 891   RegisterOpt&lt;FancyAA&gt;
 892   B("<i>somefancyaa</i>", "<i>A more complex alias analysis implementation</i>");
 893
 894   //<i> Declare that we implement the AliasAnalysis interface</i>
 895   RegisterAnalysisGroup&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a>, FancyAA&gt; C;
 896 }
 897 </pre><p>
 898
 899 This just shows a class <tt>FancyAA</tt> that is registered normally, then uses
 900 the <tt>RegisterAnalysisGroup</tt> template to "join" the <tt><a
 901 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a></tt>
 902 analysis group.  Every implementation of an analysis group should join using
 903 this template.  A single pass may join multiple different analysis groups with
 904 no problem.<p>
 905
 906 <pre>
 907 <b>namespace</b> {
 908   //<i> Analysis Group implementations <b>must</b> be registered normally...</i>
 909   RegisterOpt&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html">BasicAliasAnalysis</a>&gt;
 910   D("<i>basicaa</i>", "<i>Basic Alias Analysis (default AA impl)</i>");
 911
 912   //<i> Declare that we implement the AliasAnalysis interface</i>
 913   RegisterAnalysisGroup&lt;<a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structAliasAnalysis.html">AliasAnalysis</a>, <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html">BasicAliasAnalysis</a>, <b>true</b>&gt; E;
 914 }
 915 </pre><p>
 916
 917 Here we show how the default implementation is specified (using the extra
 918 argument to the <tt>RegisterAnalysisGroup</tt> template).  There must be exactly
 919 one default implementation available at all times for an Analysis Group to be
 920 used.  Here we declare that the <tt><a
 921 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html">BasicAliasAnalysis</a></tt>
 922 pass is the default implementation for the interface.<p>
 923
 924
 925 <!-- *********************************************************************** -->
 926 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
 927 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
 928 <a name="passmanager">What PassManager does
 929 </b></font></td></tr></table><ul>
 930 <!-- *********************************************************************** -->
 931
 932 The <a
 933 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/PassManager_8h-source.html"><tt>PassManager</tt></a>
 934 <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classPassManager.html">class</a> takes
 935 a list of passes, ensures their <a href="#interaction">prerequisites</a> are set
 936 up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the LLVM
 937 tools that run passes use the <tt>PassManager</tt> for execution of these
 938 passes.<p>
 939
 940 The <tt>PassManager</tt> does two main things to try to reduce the execution
 941 time of a series of passes:<p>
 942
 943 <ol>
 944 <li><b>Share analysis results</b> - The PassManager attempts to avoid
 945 recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track of
 946 which analyses are available already, which analyses get invalidated, and which
 947 analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work is that the
 948 <tt>PassManager</tt> tracks the exact lifetime of all analysis results, allowing
 949 it to <a href="#releaseMemory">free memory</a> allocated to holding analysis
 950 results as soon as they are no longer needed.<p>
 951
 952 <li><b>Pipeline the execution of passes on the program</b> - The
 953 <tt>PassManager</tt> attempts to get better cache and memory usage behavior out
 954 of a series of passes by pipelining the passes together.  This means that, given
 955 a series of consequtive <a href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s, it
 956 will execute all of the <a href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s on
 957 the first function, then all of the <a
 958 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>'s on the second function,
 959 etc... until the entire program has been run through the passes.<p>
 960
 961 This improves the cache behavior of the compiler, because it is only touching
 962 the LLVM program representation for a single function at a time, instead of
 963 traversing the entire program.  It reduces the memory consumption of compiler,
 964 because, for example, only one <a
 965 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/structDominatorSet.html"><tt>DominatorSet</tt></a>
 966 needs to be calculated at a time.  This also makes it possible some <a
 967 href="#SMP">interesting enhancements</a> in the future.<p>
 968
 969 </ol><p>
 970
 971 The effectiveness of the <tt>PassManager</tt> is influenced directly by how much
 972 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
 973 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
 974 unimplemented <a href="#getAnalysisUsage"><tt>getAnalysisUsage</tt></a> method.
 975 Not implementing when it should be implemented will have the effect of not
 976 allowing any analysis results to live across the execution of your pass.<p>
 977
 978 The <tt>PassManager</tt> class exposes a <tt>--debug-pass</tt> command line
 979 options that is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and
 980 diagnosing when you should be preserving more analyses than you currently are
 981 (To get information about all of the variants of the <tt>--debug-pass</tt>
 982 option, just type '<tt>opt --help-hidden</tt>').<p>
 983
 984 By using the <tt>--debug-pass=Structure</tt> option, for example, we can see how
 985 our <a href="#basiccode">Hello World</a> pass interacts with other passes.  Lets
 986 try it out with the <tt>gcse</tt> and <tt>licm</tt> passes:<p>
 987
 988 <pre>
 989 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so -gcse -licm --debug-pass=Structure &lt; hello.bc &gt; /dev/null
 990 Module Pass Manager
 991   Function Pass Manager
 992     Dominator Set Construction
 993     Immediate Dominators Construction
 994     Global Common Subexpression Elimination
 995 --  Immediate Dominators Construction
 996 --  Global Common Subexpression Elimination
 997     Natural Loop Construction
 998     Loop Invariant Code Motion
 999 --  Natural Loop Construction
1000 --  Loop Invariant Code Motion
1001     Module Verifier
1002 --  Dominator Set Construction
1003 --  Module Verifier
1004   Bytecode Writer
1005 --Bytecode Writer
1006 </pre><p>
1007
1008 This output shows us when passes are constructed and when the analysis results
1009 are known to be dead (prefixed with '<tt>--</tt>').  Here we see that GCSE uses
1010 dominator and immediate dominator information to do its job.  The LICM pass uses
1011 natural loop information, which uses dominator sets, but not immediate
1012 dominators.  Because immediate dominators are no longer useful after the GCSE
1013 pass, it is immediately destroyed.  The dominator sets are then reused to
1014 compute natural loop information, which is then used by the LICM pass.<p>
1015
1016 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1017 the '<tt>opt</tt>' tool), which uses the dominator set to check that the
1018 resultant LLVM code is well formed.  After it finishes, the dominator set
1019 information is destroyed, after being computed once, and shared by three
1020 passes.<p>
1021
1022 Lets see how this changes when we run the <a href="#basiccode">Hello World</a>
1023 pass in between the two passes:<p>
1024
1025 <pre>
1026 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure &lt; hello.bc &gt; /dev/null
1027 Module Pass Manager
1028   Function Pass Manager
1029     Dominator Set Construction
1030     Immediate Dominators Construction
1031     Global Common Subexpression Elimination
1032 <b>--  Dominator Set Construction</b>
1033 --  Immediate Dominators Construction
1034 --  Global Common Subexpression Elimination
1035 <b>    Hello World Pass
1036 --  Hello World Pass
1037     Dominator Set Construction</b>
1038     Natural Loop Construction
1039     Loop Invariant Code Motion
1040 --  Natural Loop Construction
1041 --  Loop Invariant Code Motion
1042     Module Verifier
1043 --  Dominator Set Construction
1044 --  Module Verifier
1045   Bytecode Writer
1046 --Bytecode Writer
1047 Hello: __main
1048 Hello: puts
1049 Hello: main
1050 </pre><p>
1051
1052 Here we see that the <a href="#basiccode">Hello World</a> pass has killed the
1053 Dominator Set pass, even though it doesn't modify the code at all!  To fix this,
1054 we need to add the following <a
1055 href="#getAnalysisUsage"><tt>getAnalysisUsage</tt></a> method to our pass:<p>
1056
1057 <pre>
1058     <i>// We don't modify the program, so we preserve all analyses</i>
1059     <b>virtual void</b> getAnalysisUsage(AnalysisUsage &amp;AU) <b>const</b> {
1060       AU.setPreservesAll();
1061     }
1062 </pre><p>
1063
1064 Now when we run our pass, we get this output:<p>
1065
1066 <pre>
1067 $ opt -load ../../../lib/Debug/libhello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1068 Pass Arguments:  -gcse -hello -licm
1069 Module Pass Manager
1070   Function Pass Manager
1071     Dominator Set Construction
1072     Immediate Dominators Construction
1073     Global Common Subexpression Elimination
1074 --  Immediate Dominators Construction
1075 --  Global Common Subexpression Elimination
1076     Hello World Pass
1077 --  Hello World Pass
1078     Natural Loop Construction
1079     Loop Invariant Code Motion
1080 --  Loop Invariant Code Motion
1081 --  Natural Loop Construction
1082     Module Verifier
1083 --  Dominator Set Construction
1084 --  Module Verifier
1085   Bytecode Writer
1086 --Bytecode Writer
1087 Hello: __main
1088 Hello: puts
1089 Hello: main
1090 </pre><p>
1091
1092 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1093 anymore, and therefore do not have to compute it twice.<p>
1094
1095
1096 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1097 </ul><h4><a name="releaseMemory"><hr size=0>The <tt>releaseMemory</tt> method</h4><ul>
1098
1099 <pre>
1100   <b>virtual void</b> releaseMemory();
1101 </pre><p>
1102
1103 The <tt>PassManager</tt> automatically determines when to compute analysis
1104 results, and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass
1105 object itself is effectively the entire duration of the compilation process, we
1106 need some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1107 <tt>releaseMemory</tt> virtual method is the way to do this.<p>
1108
1109 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1110 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses the
1111 <a href="#getAnalysis">getAnalysis</a> method) you should implement
1112 <tt>releaseMEmory</tt> to, well, release the memory allocated to maintain this
1113 internal state.  This method is called after the <tt>run*</tt> method for the
1114 class, before the next call of <tt>run*</tt> in your pass.<p>
1115
1116
1117 <!-- *********************************************************************** -->
1118 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
1119 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
1120 <a name="debughints">Using GDB with dynamically loaded passes
1121 </b></font></td></tr></table><ul>
1122 <!-- *********************************************************************** -->
1123
1124 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1125 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that has
1126 not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined functions
1127 in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass with
1128 GDB.<p>
1129
1130 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1131 transformation invoked by <tt>opt</tt>, although nothing described here depends
1132 on that.<p>
1133
1134 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1135 </ul><h4><a name="breakpoint"><hr size=0>Setting a breakpoint in your pass</h4><ul>
1136
1137 First thing you do is start <tt>gdb</tt> on the <tt>opt</tt> process:<p>
1138
1139 <pre>
1140 $ <b>gdb opt</b>
1141 GNU gdb 5.0
1142 Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1143 GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1144 welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1145 Type "show copying" to see the conditions.
1146 There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1147 This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1148 (gdb)
1149 </pre><p>
1150
1151 Note that <tt>opt</tt> has a lot of debugging information in it, so it takes
1152 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1153 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process, and
1154 have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1155 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1156 <tt>PassManager::run</tt> and then run the process with the arguments you
1157 want:<p>
1158
1159 <pre>
1160 (gdb) <b>break PassManager::run</b>
1161 Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1162 (gdb) <b>run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/lib/Debug/[libname].so -[passoption]</b>
1163 Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/lib/Debug/[libname].so -[passoption]
1164 Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1165 70      bool PassManager::run(Module &amp;M) { return PM-&gt;run(M); }
1166 (gdb)
1167 </pre></p>
1168
1169 Once the <tt>opt</tt> stops in the <tt>PassManager::run</tt> method you are now
1170 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1171 do other standard debugging stuff.<p>
1172
1173
1174 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1175 </ul><h4><a name="debugmisc"><hr size=0>Miscellaneous Problems</h4><ul>
1176
1177 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has, some
1178 with solutions, some without.<p>
1179
1180 <ul>
1181 <li>Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a
1182 pretty good job getting stack traces and stepping through inline functions.
1183 When a pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1184 capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1185 from the body of a class to a .cpp file).<p>
1186
1187 <li>Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1188 above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.  Nex
1189 thing you know, you restart the program (i.e., you type '<tt>run</tt>' again),
1190 and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only way I
1191 have found to "fix" this problem is to <tt>delete</tt> the breakpoints that are
1192 already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1193 execution stops in <tt>PassManager::run</tt>.<p>
1194
1195 </ul>
1196
1197 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1198 like to contribute some tips of your own, just contact <a
1199 href="mailto:sabre@nondot.org">Chris</a>.<p>
1200
1201
1202 <!-- *********************************************************************** -->
1203 </ul><table width="100%" bgcolor="#330077" border=0 cellpadding=4 cellspacing=0>
1204 <tr><td align=center><font color="#EEEEFF" size=+2 face="Georgia,Palatino"><b>
1205 <a name="future">Future extensions planned
1206 </b></font></td></tr></table><ul>
1207 <!-- *********************************************************************** -->
1208
1209 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1210 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1211 where we are going:<p>
1212
1213 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1214 </ul><h4><a name="SMP"><hr size=0>Multithreaded LLVM</h4><ul>
1215
1216 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1217 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because of
1218 the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain state
1219 across invocations of their <tt>run*</tt> methods), a nice clean way to
1220 implement a multithreaded compiler would be for the <tt>PassManager</tt> class
1221 to create multiple instances of each pass object, and allow the separate
1222 instances to be hacking on different parts of the program at the same time.<p>
1223
1224 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1225 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1226 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1227 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1228 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.<p>
1229
1230
1231 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1232 </ul><h4><a name="ModuleSource"><hr size=0>A new <tt>ModuleSource</tt> interface</h4><ul>
1233
1234 Currently, the <tt>PassManager</tt>'s <tt>run</tt> method takes a <tt><a
1235 href="http://llvm.cs.uiuc.edu/doxygen/classModule.html">Module</a></tt> as
1236 input, and runs all of the passes on this module.  The problem with this
1237 approach is that none of the <tt>PassManager</tt> features can be used for
1238 timing and debugging the actual <b>loading</b> of the module from disk or
1239 standard input.<p>
1240
1241 To solve this problem, eventually the <tt>PassManger</tt> class will accept a
1242 <tt>ModuleSource</tt> object instead of a Module itself.  When complete, this
1243 will also allow for streaming of functions out of the bytecode representation,
1244 allowing us to avoid holding the entire program in memory at once if we only are
1245 dealing with <a href="#FunctionPass">FunctionPass</a>'s.<p>
1246
1247 As part of a different issue, eventually the bytecode loader will be extended to
1248 allow on-demand loading of functions from the bytecode representation, in order
1249 to better support the runtime reoptimizer.  The bytecode format is already
1250 capable of this, the loader just needs to be reworked a bit.<p>
1251
1252
1253 <!-- _______________________________________________________________________ -->
1254 </ul><h4><a name="PassFunctionPass"><hr size=0><tt>Pass</tt>'s requiring <tt>FunctionPass</tt>'s</h4><ul>
1255
1256 Currently it is illegal for a <a href="#Pass"><tt>Pass</tt></a> to require a <a
1257 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a>.  This is because there is only
1258 one instance of the <a href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a> object
1259 ever created, thus nowhere to store information for all of the functions in the
1260 program at the same time.  Although this has come up a couple of times before,
1261 this has always been worked around by factoring one big complicated pass into a
1262 global and an interprocedural part, both of which are distinct.  In the future,
1263 it would be nice to have this though.<p>
1264
1265 Note that it is no problem for a <a
1266 href="#FunctionPass"><tt>FunctionPass</tt></a> to require the results of a <a
1267 href="#Pass"><tt>Pass</tt></a>, only the other way around.<p>
1268
1269
1270 <!-- *********************************************************************** -->
1271 </ul>
1272 <!-- *********************************************************************** -->
1273
1274 <hr><font size-1>
1275 <address><a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a></address>
1276 <a href="http://llvm.cs.uiuc.edu">The LLVM Compiler Infrastructure</a>
1277 <br>
1278 <!-- Created: Tue Aug  6 15:00:33 CDT 2002 -->
1279 <!-- hhmts start -->
1280 Last modified: Mon Oct 27 12:00:00 CDT 2003
1281 <!-- hhmts end -->
1282 </font></body></html>