[X86][SSE] Bitcast assertion in XFormVExtractWithShuffleIntoLoad
[oota-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMPass.rst
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
4
5 .. contents::
6     :local:
7
8 Introduction --- What is a pass?
9 ================================
10
11 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
12 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
13 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
14 build the analysis results that are used by these transformations, and they
15 are, above all, a structuring technique for compiler code.
16
17 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
18 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
19 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
20 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
21 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
22 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
23 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
24 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
25 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>`, or :ref:`BasicBlockPass
26 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>` classes, which gives the system more
27 information about what your pass does, and how it can be combined with other
28 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
29 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
30 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
31
32 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
33 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
34 advanced features are discussed.
35
36 Quick Start --- Writing hello world
37 ===================================
38
39 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
40 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
41 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
42 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
43 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
44
45 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
46
47 Setting up the build environment
48 --------------------------------
49
50 .. FIXME: Why does this recommend to build in-tree?
51
52 First, configure and build LLVM.  This needs to be done directly inside the
53 LLVM source tree rather than in a separate objects directory.  Next, you need
54 to create a new directory somewhere in the LLVM source base.  For this example,
55 we'll assume that you made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up
56 a build script (``Makefile``) that will compile the source code for the new
57 pass.  To do this, copy the following into ``Makefile``:
58
59 .. code-block:: make
60
61     # Makefile for hello pass
62
63     # Path to top level of LLVM hierarchy
64     LEVEL = ../../..
65
66     # Name of the library to build
67     LIBRARYNAME = Hello
68
69     # Make the shared library become a loadable module so the tools can
70     # dlopen/dlsym on the resulting library.
71     LOADABLE_MODULE = 1
72
73     # Include the makefile implementation stuff
74     include $(LEVEL)/Makefile.common
75
76 This makefile specifies that all of the ``.cpp`` files in the current directory
77 are to be compiled and linked together into a shared object
78 ``$(LEVEL)/Debug+Asserts/lib/Hello.so`` that can be dynamically loaded by the
79 :program:`opt` or :program:`bugpoint` tools via their :option:`-load` options.
80 If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as Windows or Mac
81 OS X), the appropriate extension will be used.
82
83 If you are used CMake to build LLVM, see :ref:`cmake-out-of-source-pass`.
84
85 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
86 the pass itself.
87
88 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
89
90 Basic code required
91 -------------------
92
93 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
94 Start out with:
95
96 .. code-block:: c++
97
98   #include "llvm/Pass.h"
99   #include "llvm/IR/Function.h"
100   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
101
102 Which are needed because we are writing a `Pass
103 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
104 `Function <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
105 be doing some printing.
106
107 Next we have:
108
109 .. code-block:: c++
110
111   using namespace llvm;
112
113 ... which is required because the functions from the include files live in the
114 llvm namespace.
115
116 Next we have:
117
118 .. code-block:: c++
119
120   namespace {
121
122 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
123 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
124 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
125 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
126 information.
127
128 Next, we declare our pass itself:
129
130 .. code-block:: c++
131
132   struct Hello : public FunctionPass {
133
134 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of :ref:`FunctionPass
135 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
136 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
137 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
138
139 .. code-block:: c++
140
141     static char ID;
142     Hello() : FunctionPass(ID) {}
143
144 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
145 to avoid using expensive C++ runtime information.
146
147 .. code-block:: c++
148
149       virtual bool runOnFunction(Function &F) {
150         errs() << "Hello: ";
151         errs().write_escaped(F.getName()) << "\n";
152         return false;
153       }
154     }; // end of struct Hello
155   }  // end of anonymous namespace
156
157 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
158 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
159 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
160 thing, so we just print out our message with the name of each function.
161
162 .. code-block:: c++
163
164   char Hello::ID = 0;
165
166 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
167 initialization value is not important.
168
169 .. code-block:: c++
170
171   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
172                                false /* Only looks at CFG */,
173                                false /* Analysis Pass */);
174
175 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
176 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
177 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
178 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
179 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
180 the fourth argument.
181
182 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
183
184 .. code-block:: c++
185
186     #include "llvm/Pass.h"
187     #include "llvm/IR/Function.h"
188     #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
189
190     using namespace llvm;
191
192     namespace {
193       struct Hello : public FunctionPass {
194         static char ID;
195         Hello() : FunctionPass(ID) {}
196
197         virtual bool runOnFunction(Function &F) {
198           errs() << "Hello: ";
199           errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
200           return false;
201         }
202       };
203     }
204
205     char Hello::ID = 0;
206     static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass", false, false);
207
208 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
209 in the local directory and you should get a new file
210 "``Debug+Asserts/lib/Hello.so``" under the top level directory of the LLVM
211 source tree (not in the local directory).  Note that everything in this file is
212 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
213 are self contained units that do not need external interfaces (although they
214 can have them) to be useful.
215
216 Running a pass with ``opt``
217 ---------------------------
218
219 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
220 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
221 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
222 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
223
224 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
225 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
226 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
227 will work):
228
229 .. code-block:: console
230
231   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello < hello.bc > /dev/null
232   Hello: __main
233   Hello: puts
234   Hello: main
235
236 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
237 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
238 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
239 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
240 the program in any interesting way, we just throw away the result of
241 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
242
243 To see what happened to the other string you registered, try running
244 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
245
246 .. code-block:: console
247
248   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -help
249   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer
250
251   USAGE: opt [options] <input bitcode>
252
253   OPTIONS:
254     Optimizations available:
255   ...
256       -globalopt                - Global Variable Optimizer
257       -globalsmodref-aa         - Simple mod/ref analysis for globals
258       -gvn                      - Global Value Numbering
259       -hello                    - Hello World Pass
260       -indvars                  - Induction Variable Simplification
261       -inline                   - Function Integration/Inlining
262   ...
263
264 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
265 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
266 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
267 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
268 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
269 nice command line option (:option:`--time-passes`) that allows you to get
270 information about the execution time of your pass along with the other passes
271 you queue up.  For example:
272
273 .. code-block:: console
274
275   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
276   Hello: __main
277   Hello: puts
278   Hello: main
279   ===============================================================================
280                         ... Pass execution timing report ...
281   ===============================================================================
282     Total Execution Time: 0.02 seconds (0.0479059 wall clock)
283
284      ---User Time---   --System Time--   --User+System--   ---Wall Time---  --- Pass Name ---
285      0.0100 (100.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0402 ( 84.0%)  Bitcode Writer
286      0.0000 (  0.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0031 (  6.4%)  Dominator Set Construction
287      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0013 (  2.7%)  Module Verifier
288      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0033 (  6.9%)  Hello World Pass
289      0.0100 (100.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0200 (100.0%)   0.0479 (100.0%)  TOTAL
290
291 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
292 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
293 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
294 hasn't been broken somehow.
295
296 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
297 about some more details of how they work and how to use them.
298
299 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
300
301 Pass classes and requirements
302 =============================
303
304 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
305 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
306 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
307 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
308 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
309 available, from the most general to the most specific.
310
311 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
312 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
313 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
314 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
315 slow.
316
317 The ``ImmutablePass`` class
318 ---------------------------
319
320 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
321 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
322 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
323 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
324 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
325
326 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
327 providing information about the current target machine being compiled for, and
328 other static information that can affect the various transformations.
329
330 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
331 invalidated, and are never "run".
332
333 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
334
335 The ``ModulePass`` class
336 ------------------------
337
338 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
339 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
340 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
341 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
342 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
343 subclasses, no optimization can be done for their execution.
344
345 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
346 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
347 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
348 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
349 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
350 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
351 declarations.
352
353 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
354 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
355
356 The ``runOnModule`` method
357 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
358
359 .. code-block:: c++
360
361   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
362
363 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
364 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
365 ``false`` otherwise.
366
367 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
368
369 The ``CallGraphSCCPass`` class
370 ------------------------------
371
372 The `CallGraphSCCPass
373 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
374 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
375 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
376 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
377 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
378 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
379 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
380 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
381 ``CallGraphSCCPass``.
382
383 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
384
385 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
386
387 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
388    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
389 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
390    reflect any changes made to the program.
391 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
392    they may change the contents of an SCC.
393 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
394 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
395    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
396
397 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
398 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
399 described below should return ``true`` if they modified the program, or
400 ``false`` if they didn't.
401
402 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
403 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
404
405 .. code-block:: c++
406
407   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
408
409 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
410 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
411 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
412 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
413 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
414 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
415
416 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
417
418 The ``runOnSCC`` method
419 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
420
421 .. code-block:: c++
422
423   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
424
425 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
426 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
427 otherwise.
428
429 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
430 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
431
432 .. code-block:: c++
433
434   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
435
436 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
437 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
438 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
439 compiled.
440
441 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
442
443 The ``FunctionPass`` class
444 --------------------------
445
446 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
447 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
448 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
449 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
450 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
451 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
452 external functions.
453
454 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
455
456 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
457 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
458 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
459 #. Maintain state across invocations of:ref:`runOnFunction
460    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
461
462 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
463 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
464 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
465 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
466 ``false`` if they didn't.
467
468 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
469
470 The ``doInitialization(Module &)`` method
471 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
472
473 .. code-block:: c++
474
475   virtual bool doInitialization(Module &M);
476
477 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
478 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
479 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
480 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
481 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
482 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
483
484 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
485 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
486 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
487 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
488 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
489 needs, adding prototypes to the module if necessary.
490
491 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
492
493 The ``runOnFunction`` method
494 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
495
496 .. code-block:: c++
497
498   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
499
500 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
501 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
502 should be returned if the function is modified.
503
504 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
505
506 The ``doFinalization(Module &)`` method
507 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
508
509 .. code-block:: c++
510
511   virtual bool doFinalization(Module &M);
512
513 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
514 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
515 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
516 compiled.
517
518 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
519
520 The ``LoopPass`` class
521 ----------------------
522
523 All ``LoopPass`` execute on each loop in the function independent of all of the
524 other loops in the function.  ``LoopPass`` processes loops in loop nest order
525 such that outer most loop is processed last.
526
527 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
528 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
529 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
530 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
531 if they didn't.
532
533 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
534 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
535
536 .. code-block:: c++
537
538   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
539
540 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
541 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
542 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
543 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
544 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
545
546 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
547
548 The ``runOnLoop`` method
549 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
550
551 .. code-block:: c++
552
553   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
554
555 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
556 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
557 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
558 should be used to update loop nest.
559
560 The ``doFinalization()`` method
561 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
562
563 .. code-block:: c++
564
565   virtual bool doFinalization();
566
567 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
568 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
569 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
570
571 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
572
573 The ``RegionPass`` class
574 ------------------------
575
576 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
577 but executes on each single entry single exit region in the function.
578 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
579 region is processed last.
580
581 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
582 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
583 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
584 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
585
586 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
587 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
588
589 .. code-block:: c++
590
591   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
592
593 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
594 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
595 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
596 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
597 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
598
599 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
600
601 The ``runOnRegion`` method
602 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
603
604 .. code-block:: c++
605
606   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
607
608 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
609 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
610 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
611 update region tree.
612
613 The ``doFinalization()`` method
614 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
615
616 .. code-block:: c++
617
618   virtual bool doFinalization();
619
620 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
621 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
622 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
623 compiled.
624
625 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
626
627 The ``BasicBlockPass`` class
628 ----------------------------
629
630 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
631 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
632 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
633 they are **not** allowed to do any of the following:
634
635 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
636 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
637    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
638 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
639 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
640    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
641
642 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
643 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
644 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
645 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
646 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
647 methods that may also be implemented:
648
649 The ``doInitialization(Function &)`` method
650 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
651
652 .. code-block:: c++
653
654   virtual bool doInitialization(Function &F);
655
656 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
657 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
658 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
659 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
660 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
661 pass executions (thus it should be very fast).
662
663 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
664
665 The ``runOnBasicBlock`` method
666 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
667
668 .. code-block:: c++
669
670   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
671
672 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
673 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
674 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
675 basic block is modified.
676
677 The ``doFinalization(Function &)`` method
678 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
679
680 .. code-block:: c++
681
682     virtual bool doFinalization(Function &F);
683
684 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
685 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
686 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
687 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
688
689 The ``MachineFunctionPass`` class
690 ---------------------------------
691
692 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
693 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
694
695 Code generator passes are registered and initialized specially by
696 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
697 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
698
699 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
700 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
701 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
702 are not allowed to do any of the following:
703
704 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
705    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
706    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
707 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
708 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
709    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
710
711 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
712
713 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
714 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
715
716 .. code-block:: c++
717
718   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
719
720 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
721 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
722 work of your ``MachineFunctionPass``.
723
724 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
725 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
726 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
727 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
728 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
729 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
730 ``MachineFunctionPass``.
731
732 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
733
734 Pass registration
735 -----------------
736
737 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
738 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
739 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
740 registered.
741
742 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
743 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
744 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
745 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
746 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
747 as for debug output generated by the :option:`--debug-pass` option.
748
749 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
750 print method:
751
752 The ``print`` method
753 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
754
755 .. code-block:: c++
756
757   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
758
759 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
760 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
761 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
762 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
763
764 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
765 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
766 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
767 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
768 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
769 depended on.
770
771 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
772
773 Specifying interactions between passes
774 --------------------------------------
775
776 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
777 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
778 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
779 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
780 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
781 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
782 which are invalidated by the current pass.
783
784 Typically this functionality is used to require that analysis results are
785 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
786 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
787 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
788 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
789 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
790
791 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
792
793 The ``getAnalysisUsage`` method
794 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
795
796 .. code-block:: c++
797
798   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
799
800 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
801 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
802 in the `AnalysisUsage
803 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
804 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
805 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
806
807 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
808 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
809
810 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
811 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
812 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
813 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
814 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
815 edges in the CFG when your pass has been run.
816
817 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
818 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
819 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
820 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
821 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
822 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
823
824 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
825 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
826
827 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
828 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
829 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
830 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
831 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
832 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
833 to invalidate all others.
834
835 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
836 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
837 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
838 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
839 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
840 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
841 instructions (note that this property is implicitly set for
842 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
843
844 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
845 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
846 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
847 fact that it hacks on the CFG.
848
849 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
850 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
851
852 .. code-block:: c++
853
854   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
855   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
856     AU.setPreservesCFG();
857     AU.addRequired<LoopInfo>();
858   }
859
860 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
861
862 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
863 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
864
865 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
866 providing you with access to the passes that you declared that you required
867 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
868 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
869 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
870
871 .. code-block:: c++
872
873   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
874     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
875     //...
876   }
877
878 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
879 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
880 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
881 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
882 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
883 invoked by your ``run*`` method.
884
885 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
886 For example:
887
888 .. code-block:: c++
889
890   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
891     //...
892     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
893     //...
894   }
895
896 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
897 manager before returning a reference to the desired pass.
898
899 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
900 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
901 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
902 it is active.  For example:
903
904 .. code-block:: c++
905
906   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
907     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
908   }
909
910 Implementing Analysis Groups
911 ----------------------------
912
913 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
914 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
915 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
916 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
917 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
918 required.
919
920 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
921 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
922 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
923 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
924 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
925 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
926 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
927 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
928 Analysis Groups.
929
930 Analysis Group Concepts
931 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
932
933 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
934 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
935 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
936 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
937 the "default" implementation.
938
939 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
940 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
941 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
942 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
943 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
944 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
945 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
946 apply.
947
948 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
949 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
950 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
951 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
952 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
953 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
954 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
955
956 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
957 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
958 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
959 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
960 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
961 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
962 Passes that use the `AliasAnalysis
963 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
964 example the `gcse <http://llvm.org/doxygen/structGCSE.html>`_ pass), do not
965 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
966 the designated interface.
967
968 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
969 command ``opt -gcse ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
970 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gcse
971 ...`` will cause the ``gcse`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
972 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
973
974 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
975
976 Using ``RegisterAnalysisGroup``
977 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
978
979 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
980 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
981 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
982 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
983 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
984 itself, because it is "abstract":
985
986 .. code-block:: c++
987
988   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
989
990 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
991 implementations of the interface by using the following code:
992
993 .. code-block:: c++
994
995   namespace {
996     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
997     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
998         "A more complex alias analysis implementation",
999         false,  // Is CFG Only?
1000         true,   // Is Analysis?
1001         false); // Is default Analysis Group implementation?
1002   }
1003
1004 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1005 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1006 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1007 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1008
1009 .. code-block:: c++
1010
1011   namespace {
1012     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1013     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1014         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1015         false, // Is CFG Only?
1016         true,  // Is Analysis?
1017         true); // Is default Analysis Group implementation?
1018   }
1019
1020 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1021 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1022 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1023 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1024 that the `BasicAliasAnalysis
1025 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1026 implementation for the interface.
1027
1028 Pass Statistics
1029 ===============
1030
1031 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`_ class is
1032 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1033 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1034 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1035 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1036
1037 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1038
1039 What PassManager does
1040 ---------------------
1041
1042 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h-source.html>`_ `class
1043 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1044 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1045 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1046 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1047
1048 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1049 series of passes:
1050
1051 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1052    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1053    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1054    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1055    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1056    results, allowing it to :ref:`free memory
1057    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1058    as soon as they are no longer needed.
1059
1060 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1061    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1062    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1063    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1064    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1065    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1066    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1067    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1068
1069    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1070    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1071    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1072    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1073    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1074    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1075    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1076
1077 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1078 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1079 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1080 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1081 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1082 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1083
1084 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1085 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1086 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1087 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1088 "``opt -help-hidden``").
1089
1090 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1091 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1092 passes.  Lets try it out with the gcse and licm passes:
1093
1094 .. code-block:: console
1095
1096   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1097   Module Pass Manager
1098     Function Pass Manager
1099       Dominator Set Construction
1100       Immediate Dominators Construction
1101       Global Common Subexpression Elimination
1102   --  Immediate Dominators Construction
1103   --  Global Common Subexpression Elimination
1104       Natural Loop Construction
1105       Loop Invariant Code Motion
1106   --  Natural Loop Construction
1107   --  Loop Invariant Code Motion
1108       Module Verifier
1109   --  Dominator Set Construction
1110   --  Module Verifier
1111     Bitcode Writer
1112   --Bitcode Writer
1113
1114 This output shows us when passes are constructed and when the analysis results
1115 are known to be dead (prefixed with "``--``").  Here we see that GCSE uses
1116 dominator and immediate dominator information to do its job.  The LICM pass
1117 uses natural loop information, which uses dominator sets, but not immediate
1118 dominators.  Because immediate dominators are no longer useful after the GCSE
1119 pass, it is immediately destroyed.  The dominator sets are then reused to
1120 compute natural loop information, which is then used by the LICM pass.
1121
1122 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1123 the :program:`opt` tool), which uses the dominator set to check that the
1124 resultant LLVM code is well formed.  After it finishes, the dominator set
1125 information is destroyed, after being computed once, and shared by three
1126 passes.
1127
1128 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1129 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1130
1131 .. code-block:: console
1132
1133   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1134   Module Pass Manager
1135     Function Pass Manager
1136       Dominator Set Construction
1137       Immediate Dominators Construction
1138       Global Common Subexpression Elimination
1139   --  Dominator Set Construction
1140   --  Immediate Dominators Construction
1141   --  Global Common Subexpression Elimination
1142       Hello World Pass
1143   --  Hello World Pass
1144       Dominator Set Construction
1145       Natural Loop Construction
1146       Loop Invariant Code Motion
1147   --  Natural Loop Construction
1148   --  Loop Invariant Code Motion
1149       Module Verifier
1150   --  Dominator Set Construction
1151   --  Module Verifier
1152     Bitcode Writer
1153   --Bitcode Writer
1154   Hello: __main
1155   Hello: puts
1156   Hello: main
1157
1158 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1159 has killed the Dominator Set pass, even though it doesn't modify the code at
1160 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1161 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1162
1163 .. code-block:: c++
1164
1165   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1166   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
1167     AU.setPreservesAll();
1168   }
1169
1170 Now when we run our pass, we get this output:
1171
1172 .. code-block:: console
1173
1174   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1175   Pass Arguments:  -gcse -hello -licm
1176   Module Pass Manager
1177     Function Pass Manager
1178       Dominator Set Construction
1179       Immediate Dominators Construction
1180       Global Common Subexpression Elimination
1181   --  Immediate Dominators Construction
1182   --  Global Common Subexpression Elimination
1183       Hello World Pass
1184   --  Hello World Pass
1185       Natural Loop Construction
1186       Loop Invariant Code Motion
1187   --  Loop Invariant Code Motion
1188   --  Natural Loop Construction
1189       Module Verifier
1190   --  Dominator Set Construction
1191   --  Module Verifier
1192     Bitcode Writer
1193   --Bitcode Writer
1194   Hello: __main
1195   Hello: puts
1196   Hello: main
1197
1198 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1199 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1200
1201 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1202
1203 The ``releaseMemory`` method
1204 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1205
1206 .. code-block:: c++
1207
1208   virtual void releaseMemory();
1209
1210 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1211 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1212 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1213 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1214 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1215
1216 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1217 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1218 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1219 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1220 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1221 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1222
1223 Registering dynamically loaded passes
1224 =====================================
1225
1226 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1227 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1228 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1229 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1230 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1231 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1232
1233 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1234 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1235
1236 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1237 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1238 communicates additions and deletions to the command line interface.
1239
1240 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1241 information provided about a particular pass.  This information includes the
1242 command line name, the command help string and the address of the function used
1243 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1244 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1245 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1246 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1247 load and unregister at unload.
1248
1249 Using existing registries
1250 -------------------------
1251
1252 There are predefined registries to track instruction scheduling
1253 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1254 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1255 pass.
1256
1257 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1258 ``.cpp`` file add the following include:
1259
1260 .. code-block:: c++
1261
1262   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1263
1264 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1265 form:
1266
1267 .. code-block:: c++
1268
1269   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1270     return new MyRegisterAllocator();
1271   }
1272
1273 Note that the signature of this function should match the type of
1274 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1275 declaration, in the form:
1276
1277 .. code-block:: c++
1278
1279   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1280                                      "my register allocator help string",
1281                                      createMyRegisterAllocator);
1282
1283 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1284 :option:`-help` query.
1285
1286 .. code-block:: console
1287
1288   $ llc -help
1289     ...
1290     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1291       =linearscan                -   linear scan register allocator
1292       =local                     -   local register allocator
1293       =simple                    -   simple register allocator
1294       =myregalloc                -   my register allocator help string
1295     ...
1296
1297 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1298 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1299 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1300 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1301 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1302
1303 To force the load/linking of your register allocator into the
1304 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1305 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1306 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1307
1308 Creating new registries
1309 -----------------------
1310
1311 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1312 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1313 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1314
1315 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1316 ``RegisterMyPasses`` then define:
1317
1318 .. code-block:: c++
1319
1320   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1321
1322 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1323
1324 .. code-block:: c++
1325
1326   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1327           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1328   MyPassOpt("mypass",
1329             cl::init(&createDefaultMyPass),
1330             cl::desc("my pass option help"));
1331
1332 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1333 default creator.
1334
1335 Using GDB with dynamically loaded passes
1336 ----------------------------------------
1337
1338 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1339 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1340 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1341 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1342 with GDB.
1343
1344 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1345 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1346 depends on that.
1347
1348 Setting a breakpoint in your pass
1349 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1350
1351 First thing you do is start gdb on the opt process:
1352
1353 .. code-block:: console
1354
1355   $ gdb opt
1356   GNU gdb 5.0
1357   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1358   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1359   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1360   Type "show copying" to see the conditions.
1361   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1362   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1363   (gdb)
1364
1365 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1366 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1367 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1368 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1369 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1370 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1371
1372 .. code-block:: console
1373
1374   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1375   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1376   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1377   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1378   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1379   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1380   (gdb)
1381
1382 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1383 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1384 do other standard debugging stuff.
1385
1386 Miscellaneous Problems
1387 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1388
1389 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1390 some with solutions, some without.
1391
1392 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1393   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1394   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1395   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1396   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1397
1398 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1399   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1400   Nex thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1401   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1402   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1403   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1404   execution stops in ``PassManager::run``.
1405
1406 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1407 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1408 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1409
1410 Future extensions planned
1411 -------------------------
1412
1413 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1414 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1415 where we are going:
1416
1417 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1418
1419 Multithreaded LLVM
1420 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1421
1422 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1423 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1424 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1425 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1426 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1427 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1428 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1429
1430 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1431 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1432 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1433 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1434 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.
1435