bcd09ba1d7e230be5b1b93fdda1377f3bdabe922
[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/SmallPtrSet.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
43 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
44 #include "llvm/IR/Function.h"
45 #include "llvm/IR/Module.h"
46 #include "llvm/Support/Allocator.h"
47 #include <iterator>
48
49 namespace llvm {
50 class ModuleAnalysisManager;
51 class PreservedAnalyses;
52 class raw_ostream;
53
54 /// \brief A lazily constructed view of the call graph of a module.
55 ///
56 /// With the edges of this graph, the motivating constraint that we are
57 /// attempting to maintain is that function-local optimization, CGSCC-local
58 /// optimizations, and optimizations transforming a pair of functions connected
59 /// by an edge in the graph, do not invalidate a bottom-up traversal of the SCC
60 /// DAG. That is, no optimizations will delete, remove, or add an edge such
61 /// that functions already visited in a bottom-up order of the SCC DAG are no
62 /// longer valid to have visited, or such that functions not yet visited in
63 /// a bottom-up order of the SCC DAG are not required to have already been
64 /// visited.
65 ///
66 /// Within this constraint, the desire is to minimize the merge points of the
67 /// SCC DAG. The greater the fanout of the SCC DAG and the fewer merge points
68 /// in the SCC DAG, the more independence there is in optimizing within it.
69 /// There is a strong desire to enable parallelization of optimizations over
70 /// the call graph, and both limited fanout and merge points will (artificially
71 /// in some cases) limit the scaling of such an effort.
72 ///
73 /// To this end, graph represents both direct and any potential resolution to
74 /// an indirect call edge. Another way to think about it is that it represents
75 /// both the direct call edges and any direct call edges that might be formed
76 /// through static optimizations. Specifically, it considers taking the address
77 /// of a function to be an edge in the call graph because this might be
78 /// forwarded to become a direct call by some subsequent function-local
79 /// optimization. The result is that the graph closely follows the use-def
80 /// edges for functions. Walking "up" the graph can be done by looking at all
81 /// of the uses of a function.
82 ///
83 /// The roots of the call graph are the external functions and functions
84 /// escaped into global variables. Those functions can be called from outside
85 /// of the module or via unknowable means in the IR -- we may not be able to
86 /// form even a potential call edge from a function body which may dynamically
87 /// load the function and call it.
88 ///
89 /// This analysis still requires updates to remain valid after optimizations
90 /// which could potentially change the set of potential callees. The
91 /// constraints it operates under only make the traversal order remain valid.
92 ///
93 /// The entire analysis must be re-computed if full interprocedural
94 /// optimizations run at any point. For example, globalopt completely
95 /// invalidates the information in this analysis.
96 ///
97 /// FIXME: This class is named LazyCallGraph in a lame attempt to distinguish
98 /// it from the existing CallGraph. At some point, it is expected that this
99 /// will be the only call graph and it will be renamed accordingly.
100 class LazyCallGraph {
101 public:
102   class Node;
103   typedef SmallVector<PointerUnion<Function *, Node *>, 4> NodeVectorT;
104   typedef SmallVectorImpl<PointerUnion<Function *, Node *> > NodeVectorImplT;
105
106   /// \brief A lazy iterator used for both the entry nodes and child nodes.
107   ///
108   /// When this iterator is dereferenced, if not yet available, a function will
109   /// be scanned for "calls" or uses of functions and its child information
110   /// will be constructed. All of these results are accumulated and cached in
111   /// the graph.
112   class iterator : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, Node *,
113                                         ptrdiff_t, Node *, Node *> {
114     friend class LazyCallGraph;
115     friend class LazyCallGraph::Node;
116     typedef std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, Node *, ptrdiff_t,
117                           Node *, Node *> BaseT;
118
119     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
120     struct IsAtEndT {};
121
122     LazyCallGraph &G;
123     NodeVectorImplT::iterator NI;
124
125     // Build the begin iterator for a node.
126     explicit iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes)
127         : G(G), NI(Nodes.begin()) {}
128
129     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
130     iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes, IsAtEndT /*Nonce*/)
131         : G(G), NI(Nodes.end()) {}
132
133   public:
134     iterator(const iterator &Arg) : G(Arg.G), NI(Arg.NI) {}
135
136     iterator &operator=(iterator Arg) {
137       std::swap(Arg, *this);
138       return *this;
139     }
140
141     bool operator==(const iterator &Arg) { return NI == Arg.NI; }
142     bool operator!=(const iterator &Arg) { return !operator==(Arg); }
143
144     reference operator*() const {
145       if (NI->is<Node *>())
146         return NI->get<Node *>();
147
148       Function *F = NI->get<Function *>();
149       Node *ChildN = G.get(*F);
150       *NI = ChildN;
151       return ChildN;
152     }
153     pointer operator->() const { return operator*(); }
154
155     iterator &operator++() {
156       ++NI;
157       return *this;
158     }
159     iterator operator++(int) {
160       iterator prev = *this;
161       ++*this;
162       return prev;
163     }
164
165     iterator &operator--() {
166       --NI;
167       return *this;
168     }
169     iterator operator--(int) {
170       iterator next = *this;
171       --*this;
172       return next;
173     }
174   };
175
176   /// \brief Construct a graph for the given module.
177   ///
178   /// This sets up the graph and computes all of the entry points of the graph.
179   /// No function definitions are scanned until their nodes in the graph are
180   /// requested during traversal.
181   LazyCallGraph(Module &M);
182
183   /// \brief Copy constructor.
184   ///
185   /// This does a deep copy of the graph. It does no verification that the
186   /// graph remains valid for the module. It is also relatively expensive.
187   LazyCallGraph(const LazyCallGraph &G);
188
189   /// \brief Move constructor.
190   ///
191   /// This is a deep move. It leaves G in an undefined but destroyable state.
192   /// Any other operation on G is likely to fail.
193   LazyCallGraph(LazyCallGraph &&G);
194
195   iterator begin() { return iterator(*this, EntryNodes); }
196   iterator end() { return iterator(*this, EntryNodes, iterator::IsAtEndT()); }
197
198   /// \brief Lookup a function in the graph which has already been scanned and
199   /// added.
200   Node *lookup(const Function &F) const { return NodeMap.lookup(&F); }
201
202   /// \brief Get a graph node for a given function, scanning it to populate the
203   /// graph data as necessary.
204   Node *get(Function &F) {
205     Node *&N = NodeMap[&F];
206     if (N)
207       return N;
208
209     return insertInto(F, N);
210   }
211
212 private:
213   Module &M;
214
215   /// \brief Allocator that holds all the call graph nodes.
216   SpecificBumpPtrAllocator<Node> BPA;
217
218   /// \brief Maps function->node for fast lookup.
219   DenseMap<const Function *, Node *> NodeMap;
220
221   /// \brief The entry nodes to the graph.
222   ///
223   /// These nodes are reachable through "external" means. Put another way, they
224   /// escape at the module scope.
225   NodeVectorT EntryNodes;
226
227   /// \brief Set of the entry nodes to the graph.
228   SmallPtrSet<Function *, 4> EntryNodeSet;
229
230   /// \brief Helper to insert a new function, with an already looked-up entry in
231   /// the NodeMap.
232   Node *insertInto(Function &F, Node *&MappedN);
233
234   /// \brief Helper to copy a node from another graph into this one.
235   Node *copyInto(const Node &OtherN);
236
237   /// \brief Helper to move a node from another graph into this one.
238   Node *moveInto(Node &&OtherN);
239 };
240
241 /// \brief A node in the call graph.
242 ///
243 /// This represents a single node. It's primary roles are to cache the list of
244 /// callees, de-duplicate and provide fast testing of whether a function is
245 /// a callee, and facilitate iteration of child nodes in the graph.
246 class LazyCallGraph::Node {
247   friend class LazyCallGraph;
248
249   LazyCallGraph &G;
250   Function &F;
251   mutable NodeVectorT Callees;
252   SmallPtrSet<Function *, 4> CalleeSet;
253
254   /// \brief Basic constructor implements the scanning of F into Callees and
255   /// CalleeSet.
256   Node(LazyCallGraph &G, Function &F);
257
258   /// \brief Constructor used when copying a node from one graph to another.
259   Node(LazyCallGraph &G, const Node &OtherN);
260
261   /// \brief Constructor used when moving a node from one graph to another.
262   Node(LazyCallGraph &G, Node &&OtherN);
263
264 public:
265   typedef LazyCallGraph::iterator iterator;
266
267   Function &getFunction() const {
268     return F;
269   };
270
271   iterator begin() const { return iterator(G, Callees); }
272   iterator end() const { return iterator(G, Callees, iterator::IsAtEndT()); }
273
274   /// Equality is defined as address equality.
275   bool operator==(const Node &N) const { return this == &N; }
276   bool operator!=(const Node &N) const { return !operator==(N); }
277 };
278
279 // Provide GraphTraits specializations for call graphs.
280 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph::Node *> {
281   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
282   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
283
284   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
285   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
286   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
287 };
288 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph *> {
289   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
290   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
291
292   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
293   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
294   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
295 };
296
297 /// \brief An analysis pass which computes the call graph for a module.
298 class LazyCallGraphAnalysis {
299 public:
300   /// \brief Inform generic clients of the result type.
301   typedef LazyCallGraph Result;
302
303   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
304
305   /// \brief Compute the \c LazyCallGraph for a the module \c M.
306   ///
307   /// This just builds the set of entry points to the call graph. The rest is
308   /// built lazily as it is walked.
309   LazyCallGraph run(Module *M) { return LazyCallGraph(*M); }
310
311 private:
312   static char PassID;
313 };
314
315 /// \brief A pass which prints the call graph to a \c raw_ostream.
316 ///
317 /// This is primarily useful for testing the analysis.
318 class LazyCallGraphPrinterPass {
319   raw_ostream &OS;
320
321 public:
322   explicit LazyCallGraphPrinterPass(raw_ostream &OS);
323
324   PreservedAnalyses run(Module *M, ModuleAnalysisManager *AM);
325
326   static StringRef name() { return "LazyCallGraphPrinterPass"; }
327 };
328
329 }
330
331 #endif