95d3ed61e925a9c1864a9ba4ba4ade73d91aeaa2
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / LazyCallGraph.h
1 //===- LazyCallGraph.h - Analysis of a Module's call graph ------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 /// \file
10 ///
11 /// Implements a lazy call graph analysis and related passes for the new pass
12 /// manager.
13 ///
14 /// NB: This is *not* a traditional call graph! It is a graph which models both
15 /// the current calls and potential calls. As a consequence there are many
16 /// edges in this call graph that do not correspond to a 'call' or 'invoke'
17 /// instruction.
18 ///
19 /// The primary use cases of this graph analysis is to facilitate iterating
20 /// across the functions of a module in ways that ensure all callees are
21 /// visited prior to a caller (given any SCC constraints), or vice versa. As
22 /// such is it particularly well suited to organizing CGSCC optimizations such
23 /// as inlining, outlining, argument promotion, etc. That is its primary use
24 /// case and motivates the design. It may not be appropriate for other
25 /// purposes. The use graph of functions or some other conservative analysis of
26 /// call instructions may be interesting for optimizations and subsequent
27 /// analyses which don't work in the context of an overly specified
28 /// potential-call-edge graph.
29 ///
30 /// To understand the specific rules and nature of this call graph analysis,
31 /// see the documentation of the \c LazyCallGraph below.
32 ///
33 //===----------------------------------------------------------------------===//
34
35 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
36 #define LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
37
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PointerUnion.h"
40 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
44 #include "llvm/ADT/iterator.h"
45 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
46 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
47 #include "llvm/IR/Function.h"
48 #include "llvm/IR/Module.h"
49 #include "llvm/Support/Allocator.h"
50 #include <iterator>
51
52 namespace llvm {
53 class ModuleAnalysisManager;
54 class PreservedAnalyses;
55 class raw_ostream;
56
57 /// \brief A lazily constructed view of the call graph of a module.
58 ///
59 /// With the edges of this graph, the motivating constraint that we are
60 /// attempting to maintain is that function-local optimization, CGSCC-local
61 /// optimizations, and optimizations transforming a pair of functions connected
62 /// by an edge in the graph, do not invalidate a bottom-up traversal of the SCC
63 /// DAG. That is, no optimizations will delete, remove, or add an edge such
64 /// that functions already visited in a bottom-up order of the SCC DAG are no
65 /// longer valid to have visited, or such that functions not yet visited in
66 /// a bottom-up order of the SCC DAG are not required to have already been
67 /// visited.
68 ///
69 /// Within this constraint, the desire is to minimize the merge points of the
70 /// SCC DAG. The greater the fanout of the SCC DAG and the fewer merge points
71 /// in the SCC DAG, the more independence there is in optimizing within it.
72 /// There is a strong desire to enable parallelization of optimizations over
73 /// the call graph, and both limited fanout and merge points will (artificially
74 /// in some cases) limit the scaling of such an effort.
75 ///
76 /// To this end, graph represents both direct and any potential resolution to
77 /// an indirect call edge. Another way to think about it is that it represents
78 /// both the direct call edges and any direct call edges that might be formed
79 /// through static optimizations. Specifically, it considers taking the address
80 /// of a function to be an edge in the call graph because this might be
81 /// forwarded to become a direct call by some subsequent function-local
82 /// optimization. The result is that the graph closely follows the use-def
83 /// edges for functions. Walking "up" the graph can be done by looking at all
84 /// of the uses of a function.
85 ///
86 /// The roots of the call graph are the external functions and functions
87 /// escaped into global variables. Those functions can be called from outside
88 /// of the module or via unknowable means in the IR -- we may not be able to
89 /// form even a potential call edge from a function body which may dynamically
90 /// load the function and call it.
91 ///
92 /// This analysis still requires updates to remain valid after optimizations
93 /// which could potentially change the set of potential callees. The
94 /// constraints it operates under only make the traversal order remain valid.
95 ///
96 /// The entire analysis must be re-computed if full interprocedural
97 /// optimizations run at any point. For example, globalopt completely
98 /// invalidates the information in this analysis.
99 ///
100 /// FIXME: This class is named LazyCallGraph in a lame attempt to distinguish
101 /// it from the existing CallGraph. At some point, it is expected that this
102 /// will be the only call graph and it will be renamed accordingly.
103 class LazyCallGraph {
104 public:
105   class Node;
106   class SCC;
107   typedef SmallVector<PointerUnion<Function *, Node *>, 4> NodeVectorT;
108   typedef SmallVectorImpl<PointerUnion<Function *, Node *>> NodeVectorImplT;
109
110   /// \brief A lazy iterator used for both the entry nodes and child nodes.
111   ///
112   /// When this iterator is dereferenced, if not yet available, a function will
113   /// be scanned for "calls" or uses of functions and its child information
114   /// will be constructed. All of these results are accumulated and cached in
115   /// the graph.
116   class iterator : public iterator_adaptor_base<
117                        iterator, NodeVectorImplT::iterator, Node> {
118     friend class LazyCallGraph;
119     friend class LazyCallGraph::Node;
120
121     LazyCallGraph *G;
122     NodeVectorImplT::iterator NI;
123
124     // Build the iterator for a specific position in a node list.
125     iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT::iterator NI)
126         : iterator_adaptor_base(NI), G(&G) {}
127
128   public:
129     iterator() {}
130
131     reference operator*() const {
132       if (I->is<Node *>())
133         return *I->get<Node *>();
134
135       Function *F = I->get<Function *>();
136       Node &ChildN = G->get(*F);
137       *I = &ChildN;
138       return ChildN;
139     }
140   };
141
142   /// \brief A node in the call graph.
143   ///
144   /// This represents a single node. It's primary roles are to cache the list of
145   /// callees, de-duplicate and provide fast testing of whether a function is
146   /// a callee, and facilitate iteration of child nodes in the graph.
147   class Node {
148     friend class LazyCallGraph;
149     friend class LazyCallGraph::SCC;
150
151     LazyCallGraph *G;
152     Function &F;
153
154     // We provide for the DFS numbering and Tarjan walk lowlink numbers to be
155     // stored directly within the node.
156     int DFSNumber;
157     int LowLink;
158
159     mutable NodeVectorT Callees;
160     DenseMap<Function *, size_t> CalleeIndexMap;
161
162     /// \brief Basic constructor implements the scanning of F into Callees and
163     /// CalleeIndexMap.
164     Node(LazyCallGraph &G, Function &F);
165
166     /// \brief Internal helper to remove a callee from this node.
167     void removeEdgeInternal(Function &Callee);
168
169   public:
170     typedef LazyCallGraph::iterator iterator;
171
172     Function &getFunction() const {
173       return F;
174     };
175
176     iterator begin() const { return iterator(*G, Callees.begin()); }
177     iterator end() const { return iterator(*G, Callees.end()); }
178
179     /// Equality is defined as address equality.
180     bool operator==(const Node &N) const { return this == &N; }
181     bool operator!=(const Node &N) const { return !operator==(N); }
182   };
183
184   /// \brief An SCC of the call graph.
185   ///
186   /// This represents a Strongly Connected Component of the call graph as
187   /// a collection of call graph nodes. While the order of nodes in the SCC is
188   /// stable, it is not any particular order.
189   class SCC {
190     friend class LazyCallGraph;
191     friend class LazyCallGraph::Node;
192
193     LazyCallGraph *G;
194     SmallPtrSet<SCC *, 1> ParentSCCs;
195     SmallVector<Node *, 1> Nodes;
196
197     SCC(LazyCallGraph &G) : G(&G) {}
198
199     void insert(Node &N);
200
201     void
202     internalDFS(SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>> &DFSStack,
203                 SmallVectorImpl<Node *> &PendingSCCStack, Node *N,
204                 SmallVectorImpl<SCC *> &ResultSCCs);
205
206   public:
207     typedef SmallVectorImpl<Node *>::const_iterator iterator;
208     typedef pointee_iterator<SmallPtrSet<SCC *, 1>::const_iterator> parent_iterator;
209
210     iterator begin() const { return Nodes.begin(); }
211     iterator end() const { return Nodes.end(); }
212
213     parent_iterator parent_begin() const { return ParentSCCs.begin(); }
214     parent_iterator parent_end() const { return ParentSCCs.end(); }
215
216     iterator_range<parent_iterator> parents() const {
217       return iterator_range<parent_iterator>(parent_begin(), parent_end());
218     }
219
220     ///@{
221     /// \name Mutation API
222     ///
223     /// These methods provide the core API for updating the call graph in the
224     /// presence of a (potentially still in-flight) DFS-found SCCs.
225     ///
226     /// Note that these methods sometimes have complex runtimes, so be careful
227     /// how you call them.
228
229     /// \brief Remove an edge whose source is in this SCC and target is *not*.
230     ///
231     /// This removes an inter-SCC edge. All inter-SCC edges originating from
232     /// this SCC have been fully explored by any in-flight DFS SCC formation,
233     /// so this is always safe to call once you have the source SCC.
234     ///
235     /// This operation does not change the set of SCCs or the members of the
236     /// SCCs and so is very inexpensive. It may change the connectivity graph
237     /// of the SCCs though, so be careful calling this while iterating over
238     /// them.
239     void removeInterSCCEdge(Node &CallerN, Node &CalleeN);
240
241     /// \brief Remove an edge which is entirely within this SCC.
242     ///
243     /// Both the \a Caller and the \a Callee must be within this SCC. Removing
244     /// such an edge make break cycles that form this SCC and thus this
245     /// operation may change the SCC graph significantly. In particular, this
246     /// operation will re-form new SCCs based on the remaining connectivity of
247     /// the graph. The following invariants are guaranteed to hold after
248     /// calling this method:
249     ///
250     /// 1) This SCC is still an SCC in the graph.
251     /// 2) This SCC will be the parent of any new SCCs. Thus, this SCC is
252     ///    preserved as the root of any new SCC directed graph formed.
253     /// 3) No SCC other than this SCC has its member set changed (this is
254     ///    inherent in the definiton of removing such an edge).
255     /// 4) All of the parent links of the SCC graph will be updated to reflect
256     ///    the new SCC structure.
257     /// 5) All SCCs formed out of this SCC, excluding this SCC, will be
258     ///    returned in a vector.
259     /// 6) The order of the SCCs in the vector will be a valid postorder
260     ///    traversal of the new SCCs.
261     ///
262     /// These invariants are very important to ensure that we can build
263     /// optimization pipeliens on top of the CGSCC pass manager which
264     /// intelligently update the SCC graph without invalidating other parts of
265     /// the SCC graph.
266     ///
267     /// The runtime complexity of this method is, in the worst case, O(V+E)
268     /// where V is the number of nodes in this SCC and E is the number of edges
269     /// leaving the nodes in this SCC. Note that E includes both edges within
270     /// this SCC and edges from this SCC to child SCCs. Some effort has been
271     /// made to minimize the overhead of common cases such as self-edges and
272     /// edge removals which result in a spanning tree with no more cycles.
273     SmallVector<SCC *, 1> removeIntraSCCEdge(Node &CallerN, Node &CalleeN);
274
275     ///@}
276   };
277
278   /// \brief A post-order depth-first SCC iterator over the call graph.
279   ///
280   /// This iterator triggers the Tarjan DFS-based formation of the SCC DAG for
281   /// the call graph, walking it lazily in depth-first post-order. That is, it
282   /// always visits SCCs for a callee prior to visiting the SCC for a caller
283   /// (when they are in different SCCs).
284   class postorder_scc_iterator
285       : public iterator_facade_base<postorder_scc_iterator,
286                                     std::forward_iterator_tag, SCC> {
287     friend class LazyCallGraph;
288     friend class LazyCallGraph::Node;
289
290     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
291     struct IsAtEndT {};
292
293     LazyCallGraph *G;
294     SCC *C;
295
296     // Build the begin iterator for a node.
297     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G) : G(&G) {
298       C = G.getNextSCCInPostOrder();
299     }
300
301     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
302     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G, IsAtEndT /*Nonce*/)
303         : G(&G), C(nullptr) {}
304
305   public:
306     bool operator==(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
307       return G == Arg.G && C == Arg.C;
308     }
309
310     reference operator*() const { return *C; }
311
312     using iterator_facade_base::operator++;
313     postorder_scc_iterator &operator++() {
314       C = G->getNextSCCInPostOrder();
315       return *this;
316     }
317   };
318
319   /// \brief Construct a graph for the given module.
320   ///
321   /// This sets up the graph and computes all of the entry points of the graph.
322   /// No function definitions are scanned until their nodes in the graph are
323   /// requested during traversal.
324   LazyCallGraph(Module &M);
325
326   LazyCallGraph(LazyCallGraph &&G);
327   LazyCallGraph &operator=(LazyCallGraph &&RHS);
328
329   iterator begin() { return iterator(*this, EntryNodes.begin()); }
330   iterator end() { return iterator(*this, EntryNodes.end()); }
331
332   postorder_scc_iterator postorder_scc_begin() {
333     return postorder_scc_iterator(*this);
334   }
335   postorder_scc_iterator postorder_scc_end() {
336     return postorder_scc_iterator(*this, postorder_scc_iterator::IsAtEndT());
337   }
338
339   iterator_range<postorder_scc_iterator> postorder_sccs() {
340     return iterator_range<postorder_scc_iterator>(postorder_scc_begin(),
341                                                   postorder_scc_end());
342   }
343
344   /// \brief Lookup a function in the graph which has already been scanned and
345   /// added.
346   Node *lookup(const Function &F) const { return NodeMap.lookup(&F); }
347
348   /// \brief Lookup a function's SCC in the graph.
349   ///
350   /// \returns null if the function hasn't been assigned an SCC via the SCC
351   /// iterator walk.
352   SCC *lookupSCC(Node &N) const { return SCCMap.lookup(&N); }
353
354   /// \brief Get a graph node for a given function, scanning it to populate the
355   /// graph data as necessary.
356   Node &get(Function &F) {
357     Node *&N = NodeMap[&F];
358     if (N)
359       return *N;
360
361     return insertInto(F, N);
362   }
363
364   ///@{
365   /// \name Pre-SCC Mutation API
366   ///
367   /// These methods are only valid to call prior to forming any SCCs for this
368   /// call graph. They can be used to update the core node-graph during
369   /// a node-based inorder traversal that precedes any SCC-based traversal.
370   ///
371   /// Once you begin manipulating a call graph's SCCs, you must perform all
372   /// mutation of the graph via the SCC methods.
373
374   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
375   void removeEdge(Node &Caller, Function &Callee);
376
377   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
378   void removeEdge(Function &Caller, Function &Callee) {
379     return removeEdge(get(Caller), Callee);
380   }
381
382   ///@}
383
384 private:
385   /// \brief Allocator that holds all the call graph nodes.
386   SpecificBumpPtrAllocator<Node> BPA;
387
388   /// \brief Maps function->node for fast lookup.
389   DenseMap<const Function *, Node *> NodeMap;
390
391   /// \brief The entry nodes to the graph.
392   ///
393   /// These nodes are reachable through "external" means. Put another way, they
394   /// escape at the module scope.
395   NodeVectorT EntryNodes;
396
397   /// \brief Map of the entry nodes in the graph to their indices in
398   /// \c EntryNodes.
399   DenseMap<Function *, size_t> EntryIndexMap;
400
401   /// \brief Allocator that holds all the call graph SCCs.
402   SpecificBumpPtrAllocator<SCC> SCCBPA;
403
404   /// \brief Maps Function -> SCC for fast lookup.
405   DenseMap<Node *, SCC *> SCCMap;
406
407   /// \brief The leaf SCCs of the graph.
408   ///
409   /// These are all of the SCCs which have no children.
410   SmallVector<SCC *, 4> LeafSCCs;
411
412   /// \brief Stack of nodes in the DFS walk.
413   SmallVector<std::pair<Node *, iterator>, 4> DFSStack;
414
415   /// \brief Set of entry nodes not-yet-processed into SCCs.
416   SmallVector<Function *, 4> SCCEntryNodes;
417
418   /// \brief Stack of nodes the DFS has walked but not yet put into a SCC.
419   SmallVector<Node *, 4> PendingSCCStack;
420
421   /// \brief Counter for the next DFS number to assign.
422   int NextDFSNumber;
423
424   /// \brief Helper to insert a new function, with an already looked-up entry in
425   /// the NodeMap.
426   Node &insertInto(Function &F, Node *&MappedN);
427
428   /// \brief Helper to update pointers back to the graph object during moves.
429   void updateGraphPtrs();
430
431   /// \brief Helper to form a new SCC out of the top of a DFSStack-like
432   /// structure.
433   SCC *formSCC(Node *RootN, SmallVectorImpl<Node *> &NodeStack);
434
435   /// \brief Retrieve the next node in the post-order SCC walk of the call graph.
436   SCC *getNextSCCInPostOrder();
437 };
438
439 // Provide GraphTraits specializations for call graphs.
440 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph::Node *> {
441   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
442   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
443
444   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
445   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
446   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
447 };
448 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph *> {
449   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
450   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
451
452   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
453   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
454   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
455 };
456
457 /// \brief An analysis pass which computes the call graph for a module.
458 class LazyCallGraphAnalysis {
459 public:
460   /// \brief Inform generic clients of the result type.
461   typedef LazyCallGraph Result;
462
463   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
464
465   /// \brief Compute the \c LazyCallGraph for a the module \c M.
466   ///
467   /// This just builds the set of entry points to the call graph. The rest is
468   /// built lazily as it is walked.
469   LazyCallGraph run(Module *M) { return LazyCallGraph(*M); }
470
471 private:
472   static char PassID;
473 };
474
475 /// \brief A pass which prints the call graph to a \c raw_ostream.
476 ///
477 /// This is primarily useful for testing the analysis.
478 class LazyCallGraphPrinterPass {
479   raw_ostream &OS;
480
481 public:
482   explicit LazyCallGraphPrinterPass(raw_ostream &OS);
483
484   PreservedAnalyses run(Module *M, ModuleAnalysisManager *AM);
485
486   static StringRef name() { return "LazyCallGraphPrinterPass"; }
487 };
488
489 }
490
491 #endif