docs/LinkTimeOptimization.rst

   1 ======================================================
   2 LLVM Link Time Optimization: Design and Implementation
   3 ======================================================
   4
   5 .. contents::
   6    :local:
   7
   8 Description
   9 ===========
  10
  11 LLVM features powerful intermodular optimizations which can be used at link
  12 time.  Link Time Optimization (LTO) is another name for intermodular
  13 optimization when performed during the link stage. This document describes the
  14 interface and design between the LTO optimizer and the linker.
  15
  16 Design Philosophy
  17 =================
  18
  19 The LLVM Link Time Optimizer provides complete transparency, while doing
  20 intermodular optimization, in the compiler tool chain. Its main goal is to let
  21 the developer take advantage of intermodular optimizations without making any
  22 significant changes to the developer's makefiles or build system. This is
  23 achieved through tight integration with the linker. In this model, the linker
  24 treates LLVM bitcode files like native object files and allows mixing and
  25 matching among them. The linker uses `libLTO`_, a shared object, to handle LLVM
  26 bitcode files. This tight integration between the linker and LLVM optimizer
  27 helps to do optimizations that are not possible in other models. The linker
  28 input allows the optimizer to avoid relying on conservative escape analysis.
  29
  30 .. _libLTO-example:
  31
  32 Example of link time optimization
  33 ---------------------------------
  34
  35 The following example illustrates the advantages of LTO's integrated approach
  36 and clean interface. This example requires a system linker which supports LTO
  37 through the interface described in this document.  Here, clang transparently
  38 invokes system linker.
  39
  40 * Input source file ``a.c`` is compiled into LLVM bitcode form.
  41 * Input source file ``main.c`` is compiled into native object code.
  42
  43 .. code-block:: c++
  44
  45   --- a.h ---
  46   extern int foo1(void);
  47   extern void foo2(void);
  48   extern void foo4(void);
  49
  50   --- a.c ---
  51   #include "a.h"
  52
  53   static signed int i = 0;
  54
  55   void foo2(void) {
  56     i = -1;
  57   }
  58
  59   static int foo3() {
  60     foo4();
  61     return 10;
  62   }
  63
  64   int foo1(void) {
  65     int data = 0;
  66
  67     if (i < 0)
  68       data = foo3();
  69
  70     data = data + 42;
  71     return data;
  72   }
  73
  74   --- main.c ---
  75   #include <stdio.h>
  76   #include "a.h"
  77
  78   void foo4(void) {
  79     printf("Hi\n");
  80   }
  81
  82   int main() {
  83     return foo1();
  84   }
  85
  86 To compile, run:
  87
  88 .. code-block:: console
  89
  90   % clang -emit-llvm -c a.c -o a.o   # <-- a.o is LLVM bitcode file
  91   % clang -c main.c -o main.o        # <-- main.o is native object file
  92   % clang a.o main.o -o main         # <-- standard link command without modifications
  93
  94 * In this example, the linker recognizes that ``foo2()`` is an externally
  95   visible symbol defined in LLVM bitcode file. The linker completes its usual
  96   symbol resolution pass and finds that ``foo2()`` is not used
  97   anywhere. This information is used by the LLVM optimizer and it
  98   removes ``foo2()``.
  99
 100 * As soon as ``foo2()`` is removed, the optimizer recognizes that condition ``i
 101   < 0`` is always false, which means ``foo3()`` is never used. Hence, the
 102   optimizer also removes ``foo3()``.
 103
 104 * And this in turn, enables linker to remove ``foo4()``.
 105
 106 This example illustrates the advantage of tight integration with the
 107 linker. Here, the optimizer can not remove ``foo3()`` without the linker's
 108 input.
 109
 110 Alternative Approaches
 111 ----------------------
 112
 113 **Compiler driver invokes link time optimizer separately.**
 114     In this model the link time optimizer is not able to take advantage of
 115     information collected during the linker's normal symbol resolution phase.
 116     In the above example, the optimizer can not remove ``foo2()`` without the
 117     linker's input because it is externally visible. This in turn prohibits the
 118     optimizer from removing ``foo3()``.
 119
 120 **Use separate tool to collect symbol information from all object files.**
 121     In this model, a new, separate, tool or library replicates the linker's
 122     capability to collect information for link time optimization. Not only is
 123     this code duplication difficult to justify, but it also has several other
 124     disadvantages.  For example, the linking semantics and the features provided
 125     by the linker on various platform are not unique. This means, this new tool
 126     needs to support all such features and platforms in one super tool or a
 127     separate tool per platform is required. This increases maintenance cost for
 128     link time optimizer significantly, which is not necessary. This approach
 129     also requires staying synchronized with linker developements on various
 130     platforms, which is not the main focus of the link time optimizer. Finally,
 131     this approach increases end user's build time due to the duplication of work
 132     done by this separate tool and the linker itself.
 133
 134 Multi-phase communication between ``libLTO`` and linker
 135 =======================================================
 136
 137 The linker collects information about symbol defininitions and uses in various
 138 link objects which is more accurate than any information collected by other
 139 tools during typical build cycles.  The linker collects this information by
 140 looking at the definitions and uses of symbols in native .o files and using
 141 symbol visibility information. The linker also uses user-supplied information,
 142 such as a list of exported symbols. LLVM optimizer collects control flow
 143 information, data flow information and knows much more about program structure
 144 from the optimizer's point of view.  Our goal is to take advantage of tight
 145 integration between the linker and the optimizer by sharing this information
 146 during various linking phases.
 147
 148 Phase 1 : Read LLVM Bitcode Files
 149 ---------------------------------
 150
 151 The linker first reads all object files in natural order and collects symbol
 152 information. This includes native object files as well as LLVM bitcode files.
 153 To minimize the cost to the linker in the case that all .o files are native
 154 object files, the linker only calls ``lto_module_create()`` when a supplied
 155 object file is found to not be a native object file.  If ``lto_module_create()``
 156 returns that the file is an LLVM bitcode file, the linker then iterates over the
 157 module using ``lto_module_get_symbol_name()`` and
 158 ``lto_module_get_symbol_attribute()`` to get all symbols defined and referenced.
 159 This information is added to the linker's global symbol table.
 160
 161
 162 The lto* functions are all implemented in a shared object libLTO.  This allows
 163 the LLVM LTO code to be updated independently of the linker tool.  On platforms
 164 that support it, the shared object is lazily loaded.
 165
 166 Phase 2 : Symbol Resolution
 167 ---------------------------
 168
 169 In this stage, the linker resolves symbols using global symbol table.  It may
 170 report undefined symbol errors, read archive members, replace weak symbols, etc.
 171 The linker is able to do this seamlessly even though it does not know the exact
 172 content of input LLVM bitcode files.  If dead code stripping is enabled then the
 173 linker collects the list of live symbols.
 174
 175 Phase 3 : Optimize Bitcode Files
 176 --------------------------------
 177
 178 After symbol resolution, the linker tells the LTO shared object which symbols
 179 are needed by native object files.  In the example above, the linker reports
 180 that only ``foo1()`` is used by native object files using
 181 ``lto_codegen_add_must_preserve_symbol()``.  Next the linker invokes the LLVM
 182 optimizer and code generators using ``lto_codegen_compile()`` which returns a
 183 native object file creating by merging the LLVM bitcode files and applying
 184 various optimization passes.
 185
 186 Phase 4 : Symbol Resolution after optimization
 187 ----------------------------------------------
 188
 189 In this phase, the linker reads optimized a native object file and updates the
 190 internal global symbol table to reflect any changes. The linker also collects
 191 information about any changes in use of external symbols by LLVM bitcode
 192 files. In the example above, the linker notes that ``foo4()`` is not used any
 193 more. If dead code stripping is enabled then the linker refreshes the live
 194 symbol information appropriately and performs dead code stripping.
 195
 196 After this phase, the linker continues linking as if it never saw LLVM bitcode
 197 files.
 198
 199 .. _libLTO:
 200
 201 ``libLTO``
 202 ==========
 203
 204 ``libLTO`` is a shared object that is part of the LLVM tools, and is intended
 205 for use by a linker. ``libLTO`` provides an abstract C interface to use the LLVM
 206 interprocedural optimizer without exposing details of LLVM's internals. The
 207 intention is to keep the interface as stable as possible even when the LLVM
 208 optimizer continues to evolve. It should even be possible for a completely
 209 different compilation technology to provide a different libLTO that works with
 210 their object files and the standard linker tool.
 211
 212 ``lto_module_t``
 213 ----------------
 214
 215 A non-native object file is handled via an ``lto_module_t``.  The following
 216 functions allow the linker to check if a file (on disk or in a memory buffer) is
 217 a file which libLTO can process:
 218
 219 .. code-block:: c
 220
 221   lto_module_is_object_file(const char*)
 222   lto_module_is_object_file_for_target(const char*, const char*)
 223   lto_module_is_object_file_in_memory(const void*, size_t)
 224   lto_module_is_object_file_in_memory_for_target(const void*, size_t, const char*)
 225
 226 If the object file can be processed by ``libLTO``, the linker creates a
 227 ``lto_module_t`` by using one of:
 228
 229 .. code-block:: c
 230
 231   lto_module_create(const char*)
 232   lto_module_create_from_memory(const void*, size_t)
 233
 234 and when done, the handle is released via
 235
 236 .. code-block:: c
 237
 238   lto_module_dispose(lto_module_t)
 239
 240
 241 The linker can introspect the non-native object file by getting the number of
 242 symbols and getting the name and attributes of each symbol via:
 243
 244 .. code-block:: c
 245
 246   lto_module_get_num_symbols(lto_module_t)
 247   lto_module_get_symbol_name(lto_module_t, unsigned int)
 248   lto_module_get_symbol_attribute(lto_module_t, unsigned int)
 249
 250 The attributes of a symbol include the alignment, visibility, and kind.
 251
 252 ``lto_code_gen_t``
 253 ------------------
 254
 255 Once the linker has loaded each non-native object files into an
 256 ``lto_module_t``, it can request ``libLTO`` to process them all and generate a
 257 native object file.  This is done in a couple of steps.  First, a code generator
 258 is created with:
 259
 260 .. code-block:: c
 261
 262   lto_codegen_create()
 263
 264 Then, each non-native object file is added to the code generator with:
 265
 266 .. code-block:: c
 267
 268   lto_codegen_add_module(lto_code_gen_t, lto_module_t)
 269
 270 The linker then has the option of setting some codegen options.  Whether or not
 271 to generate DWARF debug info is set with:
 272
 273 .. code-block:: c
 274
 275   lto_codegen_set_debug_model(lto_code_gen_t)
 276
 277 Which kind of position independence is set with:
 278
 279 .. code-block:: c
 280
 281   lto_codegen_set_pic_model(lto_code_gen_t)
 282
 283 And each symbol that is referenced by a native object file or otherwise must not
 284 be optimized away is set with:
 285
 286 .. code-block:: c
 287
 288   lto_codegen_add_must_preserve_symbol(lto_code_gen_t, const char*)
 289
 290 After all these settings are done, the linker requests that a native object file
 291 be created from the modules with the settings using:
 292
 293 .. code-block:: c
 294
 295   lto_codegen_compile(lto_code_gen_t, size*)
 296
 297 which returns a pointer to a buffer containing the generated native object file.
 298 The linker then parses that and links it with the rest of the native object
 299 files.