[LCG] Fix a bad bug in the new fancy iterator scheme I added to support
[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
117       : public iterator_adaptor_base<iterator, NodeVectorImplT::iterator,
118                                      std::forward_iterator_tag, Node> {
119     friend class LazyCallGraph;
120     friend class LazyCallGraph::Node;
121
122     LazyCallGraph *G;
123     NodeVectorImplT::iterator E;
124
125     // Build the iterator for a specific position in a node list.
126     iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT::iterator NI,
127              NodeVectorImplT::iterator E)
128         : iterator_adaptor_base(NI), G(&G), E(E) {
129       while (I != E && I->isNull())
130         ++I;
131     }
132
133   public:
134     iterator() {}
135
136     using iterator_adaptor_base::operator++;
137     iterator &operator++() {
138       do {
139         ++I;
140       } while (I != E && I->isNull());
141       return *this;
142     }
143
144     reference operator*() const {
145       if (I->is<Node *>())
146         return *I->get<Node *>();
147
148       Function *F = I->get<Function *>();
149       Node &ChildN = G->get(*F);
150       *I = &ChildN;
151       return ChildN;
152     }
153   };
154
155   /// \brief A node in the call graph.
156   ///
157   /// This represents a single node. It's primary roles are to cache the list of
158   /// callees, de-duplicate and provide fast testing of whether a function is
159   /// a callee, and facilitate iteration of child nodes in the graph.
160   class Node {
161     friend class LazyCallGraph;
162     friend class LazyCallGraph::SCC;
163
164     LazyCallGraph *G;
165     Function &F;
166
167     // We provide for the DFS numbering and Tarjan walk lowlink numbers to be
168     // stored directly within the node.
169     int DFSNumber;
170     int LowLink;
171
172     mutable NodeVectorT Callees;
173     DenseMap<Function *, size_t> CalleeIndexMap;
174
175     /// \brief Basic constructor implements the scanning of F into Callees and
176     /// CalleeIndexMap.
177     Node(LazyCallGraph &G, Function &F);
178
179     /// \brief Internal helper to insert a callee.
180     void insertEdgeInternal(Function &Callee);
181
182     /// \brief Internal helper to insert a callee.
183     void insertEdgeInternal(Node &CalleeN);
184
185     /// \brief Internal helper to remove a callee from this node.
186     void removeEdgeInternal(Function &Callee);
187
188   public:
189     typedef LazyCallGraph::iterator iterator;
190
191     Function &getFunction() const {
192       return F;
193     };
194
195     iterator begin() const {
196       return iterator(*G, Callees.begin(), Callees.end());
197     }
198     iterator end() const { return iterator(*G, Callees.end(), Callees.end()); }
199
200     /// Equality is defined as address equality.
201     bool operator==(const Node &N) const { return this == &N; }
202     bool operator!=(const Node &N) const { return !operator==(N); }
203   };
204
205   /// \brief An SCC of the call graph.
206   ///
207   /// This represents a Strongly Connected Component of the call graph as
208   /// a collection of call graph nodes. While the order of nodes in the SCC is
209   /// stable, it is not any particular order.
210   class SCC {
211     friend class LazyCallGraph;
212     friend class LazyCallGraph::Node;
213
214     LazyCallGraph *G;
215     SmallPtrSet<SCC *, 1> ParentSCCs;
216     SmallVector<Node *, 1> Nodes;
217
218     SCC(LazyCallGraph &G) : G(&G) {}
219
220     void insert(Node &N);
221
222     void
223     internalDFS(SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>> &DFSStack,
224                 SmallVectorImpl<Node *> &PendingSCCStack, Node *N,
225                 SmallVectorImpl<SCC *> &ResultSCCs);
226
227   public:
228     typedef SmallVectorImpl<Node *>::const_iterator iterator;
229     typedef pointee_iterator<SmallPtrSet<SCC *, 1>::const_iterator> parent_iterator;
230
231     iterator begin() const { return Nodes.begin(); }
232     iterator end() const { return Nodes.end(); }
233
234     parent_iterator parent_begin() const { return ParentSCCs.begin(); }
235     parent_iterator parent_end() const { return ParentSCCs.end(); }
236
237     iterator_range<parent_iterator> parents() const {
238       return iterator_range<parent_iterator>(parent_begin(), parent_end());
239     }
240
241     ///@{
242     /// \name Mutation API
243     ///
244     /// These methods provide the core API for updating the call graph in the
245     /// presence of a (potentially still in-flight) DFS-found SCCs.
246     ///
247     /// Note that these methods sometimes have complex runtimes, so be careful
248     /// how you call them.
249
250     /// \brief Insert an edge from one node in this SCC to another in this SCC.
251     ///
252     /// By the definition of an SCC, this does not change the nature or make-up
253     /// of any SCCs.
254     void insertIntraSCCEdge(Node &CallerN, Node &CalleeN);
255
256     /// \brief Remove an edge whose source is in this SCC and target is *not*.
257     ///
258     /// This removes an inter-SCC edge. All inter-SCC edges originating from
259     /// this SCC have been fully explored by any in-flight DFS SCC formation,
260     /// so this is always safe to call once you have the source SCC.
261     ///
262     /// This operation does not change the set of SCCs or the members of the
263     /// SCCs and so is very inexpensive. It may change the connectivity graph
264     /// of the SCCs though, so be careful calling this while iterating over
265     /// them.
266     void removeInterSCCEdge(Node &CallerN, Node &CalleeN);
267
268     /// \brief Remove an edge which is entirely within this SCC.
269     ///
270     /// Both the \a Caller and the \a Callee must be within this SCC. Removing
271     /// such an edge make break cycles that form this SCC and thus this
272     /// operation may change the SCC graph significantly. In particular, this
273     /// operation will re-form new SCCs based on the remaining connectivity of
274     /// the graph. The following invariants are guaranteed to hold after
275     /// calling this method:
276     ///
277     /// 1) This SCC is still an SCC in the graph.
278     /// 2) This SCC will be the parent of any new SCCs. Thus, this SCC is
279     ///    preserved as the root of any new SCC directed graph formed.
280     /// 3) No SCC other than this SCC has its member set changed (this is
281     ///    inherent in the definiton of removing such an edge).
282     /// 4) All of the parent links of the SCC graph will be updated to reflect
283     ///    the new SCC structure.
284     /// 5) All SCCs formed out of this SCC, excluding this SCC, will be
285     ///    returned in a vector.
286     /// 6) The order of the SCCs in the vector will be a valid postorder
287     ///    traversal of the new SCCs.
288     ///
289     /// These invariants are very important to ensure that we can build
290     /// optimization pipeliens on top of the CGSCC pass manager which
291     /// intelligently update the SCC graph without invalidating other parts of
292     /// the SCC graph.
293     ///
294     /// The runtime complexity of this method is, in the worst case, O(V+E)
295     /// where V is the number of nodes in this SCC and E is the number of edges
296     /// leaving the nodes in this SCC. Note that E includes both edges within
297     /// this SCC and edges from this SCC to child SCCs. Some effort has been
298     /// made to minimize the overhead of common cases such as self-edges and
299     /// edge removals which result in a spanning tree with no more cycles.
300     SmallVector<SCC *, 1> removeIntraSCCEdge(Node &CallerN, Node &CalleeN);
301
302     ///@}
303   };
304
305   /// \brief A post-order depth-first SCC iterator over the call graph.
306   ///
307   /// This iterator triggers the Tarjan DFS-based formation of the SCC DAG for
308   /// the call graph, walking it lazily in depth-first post-order. That is, it
309   /// always visits SCCs for a callee prior to visiting the SCC for a caller
310   /// (when they are in different SCCs).
311   class postorder_scc_iterator
312       : public iterator_facade_base<postorder_scc_iterator,
313                                     std::forward_iterator_tag, SCC> {
314     friend class LazyCallGraph;
315     friend class LazyCallGraph::Node;
316
317     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
318     struct IsAtEndT {};
319
320     LazyCallGraph *G;
321     SCC *C;
322
323     // Build the begin iterator for a node.
324     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G) : G(&G) {
325       C = G.getNextSCCInPostOrder();
326     }
327
328     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
329     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G, IsAtEndT /*Nonce*/)
330         : G(&G), C(nullptr) {}
331
332   public:
333     bool operator==(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
334       return G == Arg.G && C == Arg.C;
335     }
336
337     reference operator*() const { return *C; }
338
339     using iterator_facade_base::operator++;
340     postorder_scc_iterator &operator++() {
341       C = G->getNextSCCInPostOrder();
342       return *this;
343     }
344   };
345
346   /// \brief Construct a graph for the given module.
347   ///
348   /// This sets up the graph and computes all of the entry points of the graph.
349   /// No function definitions are scanned until their nodes in the graph are
350   /// requested during traversal.
351   LazyCallGraph(Module &M);
352
353   LazyCallGraph(LazyCallGraph &&G);
354   LazyCallGraph &operator=(LazyCallGraph &&RHS);
355
356   iterator begin() {
357     return iterator(*this, EntryNodes.begin(), EntryNodes.end());
358   }
359   iterator end() { return iterator(*this, EntryNodes.end(), EntryNodes.end()); }
360
361   postorder_scc_iterator postorder_scc_begin() {
362     return postorder_scc_iterator(*this);
363   }
364   postorder_scc_iterator postorder_scc_end() {
365     return postorder_scc_iterator(*this, postorder_scc_iterator::IsAtEndT());
366   }
367
368   iterator_range<postorder_scc_iterator> postorder_sccs() {
369     return iterator_range<postorder_scc_iterator>(postorder_scc_begin(),
370                                                   postorder_scc_end());
371   }
372
373   /// \brief Lookup a function in the graph which has already been scanned and
374   /// added.
375   Node *lookup(const Function &F) const { return NodeMap.lookup(&F); }
376
377   /// \brief Lookup a function's SCC in the graph.
378   ///
379   /// \returns null if the function hasn't been assigned an SCC via the SCC
380   /// iterator walk.
381   SCC *lookupSCC(Node &N) const { return SCCMap.lookup(&N); }
382
383   /// \brief Get a graph node for a given function, scanning it to populate the
384   /// graph data as necessary.
385   Node &get(Function &F) {
386     Node *&N = NodeMap[&F];
387     if (N)
388       return *N;
389
390     return insertInto(F, N);
391   }
392
393   ///@{
394   /// \name Pre-SCC Mutation API
395   ///
396   /// These methods are only valid to call prior to forming any SCCs for this
397   /// call graph. They can be used to update the core node-graph during
398   /// a node-based inorder traversal that precedes any SCC-based traversal.
399   ///
400   /// Once you begin manipulating a call graph's SCCs, you must perform all
401   /// mutation of the graph via the SCC methods.
402
403   /// \brief Update the call graph after inserting a new edge.
404   void insertEdge(Node &Caller, Function &Callee);
405
406   /// \brief Update the call graph after inserting a new edge.
407   void insertEdge(Function &Caller, Function &Callee) {
408     return insertEdge(get(Caller), Callee);
409   }
410
411   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
412   void removeEdge(Node &Caller, Function &Callee);
413
414   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
415   void removeEdge(Function &Caller, Function &Callee) {
416     return removeEdge(get(Caller), Callee);
417   }
418
419   ///@}
420
421 private:
422   /// \brief Allocator that holds all the call graph nodes.
423   SpecificBumpPtrAllocator<Node> BPA;
424
425   /// \brief Maps function->node for fast lookup.
426   DenseMap<const Function *, Node *> NodeMap;
427
428   /// \brief The entry nodes to the graph.
429   ///
430   /// These nodes are reachable through "external" means. Put another way, they
431   /// escape at the module scope.
432   NodeVectorT EntryNodes;
433
434   /// \brief Map of the entry nodes in the graph to their indices in
435   /// \c EntryNodes.
436   DenseMap<Function *, size_t> EntryIndexMap;
437
438   /// \brief Allocator that holds all the call graph SCCs.
439   SpecificBumpPtrAllocator<SCC> SCCBPA;
440
441   /// \brief Maps Function -> SCC for fast lookup.
442   DenseMap<Node *, SCC *> SCCMap;
443
444   /// \brief The leaf SCCs of the graph.
445   ///
446   /// These are all of the SCCs which have no children.
447   SmallVector<SCC *, 4> LeafSCCs;
448
449   /// \brief Stack of nodes in the DFS walk.
450   SmallVector<std::pair<Node *, iterator>, 4> DFSStack;
451
452   /// \brief Set of entry nodes not-yet-processed into SCCs.
453   SmallVector<Function *, 4> SCCEntryNodes;
454
455   /// \brief Stack of nodes the DFS has walked but not yet put into a SCC.
456   SmallVector<Node *, 4> PendingSCCStack;
457
458   /// \brief Counter for the next DFS number to assign.
459   int NextDFSNumber;
460
461   /// \brief Helper to insert a new function, with an already looked-up entry in
462   /// the NodeMap.
463   Node &insertInto(Function &F, Node *&MappedN);
464
465   /// \brief Helper to update pointers back to the graph object during moves.
466   void updateGraphPtrs();
467
468   /// \brief Helper to form a new SCC out of the top of a DFSStack-like
469   /// structure.
470   SCC *formSCC(Node *RootN, SmallVectorImpl<Node *> &NodeStack);
471
472   /// \brief Retrieve the next node in the post-order SCC walk of the call graph.
473   SCC *getNextSCCInPostOrder();
474 };
475
476 // Provide GraphTraits specializations for call graphs.
477 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph::Node *> {
478   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
479   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
480
481   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
482   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
483   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
484 };
485 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph *> {
486   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
487   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
488
489   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
490   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
491   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
492 };
493
494 /// \brief An analysis pass which computes the call graph for a module.
495 class LazyCallGraphAnalysis {
496 public:
497   /// \brief Inform generic clients of the result type.
498   typedef LazyCallGraph Result;
499
500   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
501
502   /// \brief Compute the \c LazyCallGraph for a the module \c M.
503   ///
504   /// This just builds the set of entry points to the call graph. The rest is
505   /// built lazily as it is walked.
506   LazyCallGraph run(Module *M) { return LazyCallGraph(*M); }
507
508 private:
509   static char PassID;
510 };
511
512 /// \brief A pass which prints the call graph to a \c raw_ostream.
513 ///
514 /// This is primarily useful for testing the analysis.
515 class LazyCallGraphPrinterPass {
516   raw_ostream &OS;
517
518 public:
519   explicit LazyCallGraphPrinterPass(raw_ostream &OS);
520
521   PreservedAnalyses run(Module *M, ModuleAnalysisManager *AM);
522
523   static StringRef name() { return "LazyCallGraphPrinterPass"; }
524 };
525
526 }
527
528 #endif