[OCaml] Add Target and TargetMachine bindings to Llvm_target
[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       -insert-edge-profiling    - Insert instrumentation for edge profiling
263   ...
264
265 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
266 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
267 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
268 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
269 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
270 nice command line option (:option:`--time-passes`) that allows you to get
271 information about the execution time of your pass along with the other passes
272 you queue up.  For example:
273
274 .. code-block:: console
275
276   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
277   Hello: __main
278   Hello: puts
279   Hello: main
280   ===============================================================================
281                         ... Pass execution timing report ...
282   ===============================================================================
283     Total Execution Time: 0.02 seconds (0.0479059 wall clock)
284
285      ---User Time---   --System Time--   --User+System--   ---Wall Time---  --- Pass Name ---
286      0.0100 (100.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0402 ( 84.0%)  Bitcode Writer
287      0.0000 (  0.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0031 (  6.4%)  Dominator Set Construction
288      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0013 (  2.7%)  Module Verifier
289      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0033 (  6.9%)  Hello World Pass
290      0.0100 (100.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0200 (100.0%)   0.0479 (100.0%)  TOTAL
291
292 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
293 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
294 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
295 hasn't been broken somehow.
296
297 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
298 about some more details of how they work and how to use them.
299
300 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
301
302 Pass classes and requirements
303 =============================
304
305 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
306 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
307 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
308 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
309 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
310 available, from the most general to the most specific.
311
312 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
313 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
314 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
315 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
316 slow.
317
318 The ``ImmutablePass`` class
319 ---------------------------
320
321 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
322 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
323 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
324 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
325 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
326
327 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
328 providing information about the current target machine being compiled for, and
329 other static information that can affect the various transformations.
330
331 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
332 invalidated, and are never "run".
333
334 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
335
336 The ``ModulePass`` class
337 ------------------------
338
339 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
340 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
341 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
342 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
343 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
344 subclasses, no optimization can be done for their execution.
345
346 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
347 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
348 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
349 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
350 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
351 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
352 declarations.
353
354 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
355 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
356
357 The ``runOnModule`` method
358 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
359
360 .. code-block:: c++
361
362   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
363
364 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
365 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
366 ``false`` otherwise.
367
368 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
369
370 The ``CallGraphSCCPass`` class
371 ------------------------------
372
373 The `CallGraphSCCPass
374 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
375 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
376 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
377 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
378 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
379 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
380 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
381 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
382 ``CallGraphSCCPass``.
383
384 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
385
386 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
387
388 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
389    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
390 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
391    reflect any changes made to the program.
392 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
393    they may change the contents of an SCC.
394 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
395 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
396    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
397
398 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
399 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
400 described below should return ``true`` if they modified the program, or
401 ``false`` if they didn't.
402
403 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
404 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
405
406 .. code-block:: c++
407
408   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
409
410 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
411 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
412 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
413 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
414 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
415 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
416
417 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
418
419 The ``runOnSCC`` method
420 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
421
422 .. code-block:: c++
423
424   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
425
426 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
427 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
428 otherwise.
429
430 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
431 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
432
433 .. code-block:: c++
434
435   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
436
437 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
438 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
439 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
440 compiled.
441
442 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
443
444 The ``FunctionPass`` class
445 --------------------------
446
447 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
448 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
449 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
450 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
451 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
452 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
453 external functions.
454
455 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
456
457 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
458 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
459 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
460 #. Maintain state across invocations of:ref:`runOnFunction
461    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
462
463 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
464 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
465 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
466 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
467 ``false`` if they didn't.
468
469 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
470
471 The ``doInitialization(Module &)`` method
472 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
473
474 .. code-block:: c++
475
476   virtual bool doInitialization(Module &M);
477
478 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
479 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
480 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
481 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
482 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
483 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
484
485 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
486 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
487 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
488 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
489 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
490 needs, adding prototypes to the module if necessary.
491
492 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
493
494 The ``runOnFunction`` method
495 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
496
497 .. code-block:: c++
498
499   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
500
501 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
502 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
503 should be returned if the function is modified.
504
505 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
506
507 The ``doFinalization(Module &)`` method
508 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
509
510 .. code-block:: c++
511
512   virtual bool doFinalization(Module &M);
513
514 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
515 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
516 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
517 compiled.
518
519 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
520
521 The ``LoopPass`` class
522 ----------------------
523
524 All ``LoopPass`` execute on each loop in the function independent of all of the
525 other loops in the function.  ``LoopPass`` processes loops in loop nest order
526 such that outer most loop is processed last.
527
528 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
529 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
530 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
531 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
532 if they didn't.
533
534 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
535 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
536
537 .. code-block:: c++
538
539   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
540
541 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
542 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
543 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
544 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
545 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
546
547 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
548
549 The ``runOnLoop`` method
550 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
551
552 .. code-block:: c++
553
554   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
555
556 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
557 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
558 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
559 should be used to update loop nest.
560
561 The ``doFinalization()`` method
562 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
563
564 .. code-block:: c++
565
566   virtual bool doFinalization();
567
568 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
569 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
570 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
571
572 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
573
574 The ``RegionPass`` class
575 ------------------------
576
577 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
578 but executes on each single entry single exit region in the function.
579 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
580 region is processed last.
581
582 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
583 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
584 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
585 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
586
587 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
588 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
589
590 .. code-block:: c++
591
592   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
593
594 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
595 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
596 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
597 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
598 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
599
600 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
601
602 The ``runOnRegion`` method
603 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
604
605 .. code-block:: c++
606
607   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
608
609 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
610 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
611 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
612 update region tree.
613
614 The ``doFinalization()`` method
615 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
616
617 .. code-block:: c++
618
619   virtual bool doFinalization();
620
621 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
622 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
623 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
624 compiled.
625
626 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
627
628 The ``BasicBlockPass`` class
629 ----------------------------
630
631 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
632 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
633 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
634 they are **not** allowed to do any of the following:
635
636 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
637 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
638    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
639 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
640 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
641    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
642
643 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
644 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
645 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
646 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
647 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
648 methods that may also be implemented:
649
650 The ``doInitialization(Function &)`` method
651 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
652
653 .. code-block:: c++
654
655   virtual bool doInitialization(Function &F);
656
657 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
658 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
659 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
660 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
661 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
662 pass executions (thus it should be very fast).
663
664 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
665
666 The ``runOnBasicBlock`` method
667 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
668
669 .. code-block:: c++
670
671   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
672
673 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
674 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
675 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
676 basic block is modified.
677
678 The ``doFinalization(Function &)`` method
679 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
680
681 .. code-block:: c++
682
683     virtual bool doFinalization(Function &F);
684
685 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
686 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
687 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
688 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
689
690 The ``MachineFunctionPass`` class
691 ---------------------------------
692
693 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
694 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
695
696 Code generator passes are registered and initialized specially by
697 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
698 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
699
700 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
701 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
702 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
703 are not allowed to do any of the following:
704
705 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
706    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
707    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
708 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
709 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
710    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
711
712 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
713
714 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
715 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
716
717 .. code-block:: c++
718
719   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
720
721 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
722 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
723 work of your ``MachineFunctionPass``.
724
725 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
726 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
727 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
728 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
729 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
730 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
731 ``MachineFunctionPass``.
732
733 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
734
735 Pass registration
736 -----------------
737
738 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
739 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
740 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
741 registered.
742
743 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
744 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
745 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
746 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
747 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
748 as for debug output generated by the :option:`--debug-pass` option.
749
750 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
751 print method:
752
753 The ``print`` method
754 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
755
756 .. code-block:: c++
757
758   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
759
760 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
761 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
762 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
763 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
764
765 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
766 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
767 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
768 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
769 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
770 depended on.
771
772 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
773
774 Specifying interactions between passes
775 --------------------------------------
776
777 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
778 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
779 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
780 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
781 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
782 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
783 which are invalidated by the current pass.
784
785 Typically this functionality is used to require that analysis results are
786 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
787 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
788 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
789 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
790 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
791
792 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
793
794 The ``getAnalysisUsage`` method
795 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
796
797 .. code-block:: c++
798
799   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
800
801 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
802 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
803 in the `AnalysisUsage
804 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
805 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
806 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
807
808 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
809 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
810
811 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
812 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
813 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
814 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
815 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
816 edges in the CFG when your pass has been run.
817
818 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
819 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
820 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
821 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
822 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
823 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
824
825 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
826 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
827
828 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
829 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
830 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
831 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
832 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
833 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
834 to invalidate all others.
835
836 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
837 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
838 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
839 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
840 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
841 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
842 instructions (note that this property is implicitly set for
843 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
844
845 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
846 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
847 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
848 fact that it hacks on the CFG.
849
850 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
851 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
852
853 .. code-block:: c++
854
855   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
856   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
857     AU.setPreservesCFG();
858     AU.addRequired<LoopInfo>();
859   }
860
861 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
862
863 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
864 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
865
866 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
867 providing you with access to the passes that you declared that you required
868 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
869 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
870 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
871
872 .. code-block:: c++
873
874   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
875     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
876     //...
877   }
878
879 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
880 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
881 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
882 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
883 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
884 invoked by your ``run*`` method.
885
886 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
887 For example:
888
889 .. code-block:: c++
890
891   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
892     //...
893     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
894     //...
895   }
896
897 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
898 manager before returning a reference to the desired pass.
899
900 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
901 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
902 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
903 it is active.  For example:
904
905 .. code-block:: c++
906
907   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
908     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
909   }
910
911 Implementing Analysis Groups
912 ----------------------------
913
914 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
915 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
916 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
917 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
918 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
919 required.
920
921 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
922 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
923 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
924 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
925 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
926 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
927 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
928 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
929 Analysis Groups.
930
931 Analysis Group Concepts
932 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
933
934 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
935 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
936 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
937 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
938 the "default" implementation.
939
940 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
941 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
942 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
943 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
944 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
945 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
946 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
947 apply.
948
949 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
950 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
951 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
952 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
953 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
954 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
955 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
956
957 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
958 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
959 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
960 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
961 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
962 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
963 Passes that use the `AliasAnalysis
964 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
965 example the `gcse <http://llvm.org/doxygen/structGCSE.html>`_ pass), do not
966 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
967 the designated interface.
968
969 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
970 command ``opt -gcse ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
971 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gcse
972 ...`` will cause the ``gcse`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
973 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
974
975 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
976
977 Using ``RegisterAnalysisGroup``
978 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
979
980 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
981 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
982 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
983 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
984 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
985 itself, because it is "abstract":
986
987 .. code-block:: c++
988
989   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
990
991 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
992 implementations of the interface by using the following code:
993
994 .. code-block:: c++
995
996   namespace {
997     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
998     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
999         "A more complex alias analysis implementation",
1000         false,  // Is CFG Only?
1001         true,   // Is Analysis?
1002         false); // Is default Analysis Group implementation?
1003   }
1004
1005 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1006 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1007 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1008 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1009
1010 .. code-block:: c++
1011
1012   namespace {
1013     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1014     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1015         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1016         false, // Is CFG Only?
1017         true,  // Is Analysis?
1018         true); // Is default Analysis Group implementation?
1019   }
1020
1021 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1022 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1023 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1024 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1025 that the `BasicAliasAnalysis
1026 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1027 implementation for the interface.
1028
1029 Pass Statistics
1030 ===============
1031
1032 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`_ class is
1033 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1034 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1035 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1036 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1037
1038 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1039
1040 What PassManager does
1041 ---------------------
1042
1043 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h-source.html>`_ `class
1044 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1045 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1046 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1047 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1048
1049 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1050 series of passes:
1051
1052 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1053    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1054    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1055    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1056    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1057    results, allowing it to :ref:`free memory
1058    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1059    as soon as they are no longer needed.
1060
1061 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1062    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1063    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1064    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1065    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1066    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1067    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1068    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1069
1070    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1071    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1072    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1073    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1074    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1075    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1076    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1077
1078 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1079 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1080 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1081 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1082 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1083 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1084
1085 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1086 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1087 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1088 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1089 "``opt -help-hidden``").
1090
1091 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1092 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1093 passes.  Lets try it out with the gcse and licm passes:
1094
1095 .. code-block:: console
1096
1097   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1098   Module Pass Manager
1099     Function Pass Manager
1100       Dominator Set Construction
1101       Immediate Dominators Construction
1102       Global Common Subexpression Elimination
1103   --  Immediate Dominators Construction
1104   --  Global Common Subexpression Elimination
1105       Natural Loop Construction
1106       Loop Invariant Code Motion
1107   --  Natural Loop Construction
1108   --  Loop Invariant Code Motion
1109       Module Verifier
1110   --  Dominator Set Construction
1111   --  Module Verifier
1112     Bitcode Writer
1113   --Bitcode Writer
1114
1115 This output shows us when passes are constructed and when the analysis results
1116 are known to be dead (prefixed with "``--``").  Here we see that GCSE uses
1117 dominator and immediate dominator information to do its job.  The LICM pass
1118 uses natural loop information, which uses dominator sets, but not immediate
1119 dominators.  Because immediate dominators are no longer useful after the GCSE
1120 pass, it is immediately destroyed.  The dominator sets are then reused to
1121 compute natural loop information, which is then used by the LICM pass.
1122
1123 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1124 the :program:`opt` tool), which uses the dominator set to check that the
1125 resultant LLVM code is well formed.  After it finishes, the dominator set
1126 information is destroyed, after being computed once, and shared by three
1127 passes.
1128
1129 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1130 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1131
1132 .. code-block:: console
1133
1134   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1135   Module Pass Manager
1136     Function Pass Manager
1137       Dominator Set Construction
1138       Immediate Dominators Construction
1139       Global Common Subexpression Elimination
1140   --  Dominator Set Construction
1141   --  Immediate Dominators Construction
1142   --  Global Common Subexpression Elimination
1143       Hello World Pass
1144   --  Hello World Pass
1145       Dominator Set Construction
1146       Natural Loop Construction
1147       Loop Invariant Code Motion
1148   --  Natural Loop Construction
1149   --  Loop Invariant Code Motion
1150       Module Verifier
1151   --  Dominator Set Construction
1152   --  Module Verifier
1153     Bitcode Writer
1154   --Bitcode Writer
1155   Hello: __main
1156   Hello: puts
1157   Hello: main
1158
1159 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1160 has killed the Dominator Set pass, even though it doesn't modify the code at
1161 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1162 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1163
1164 .. code-block:: c++
1165
1166   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1167   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
1168     AU.setPreservesAll();
1169   }
1170
1171 Now when we run our pass, we get this output:
1172
1173 .. code-block:: console
1174
1175   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1176   Pass Arguments:  -gcse -hello -licm
1177   Module Pass Manager
1178     Function Pass Manager
1179       Dominator Set Construction
1180       Immediate Dominators Construction
1181       Global Common Subexpression Elimination
1182   --  Immediate Dominators Construction
1183   --  Global Common Subexpression Elimination
1184       Hello World Pass
1185   --  Hello World Pass
1186       Natural Loop Construction
1187       Loop Invariant Code Motion
1188   --  Loop Invariant Code Motion
1189   --  Natural Loop Construction
1190       Module Verifier
1191   --  Dominator Set Construction
1192   --  Module Verifier
1193     Bitcode Writer
1194   --Bitcode Writer
1195   Hello: __main
1196   Hello: puts
1197   Hello: main
1198
1199 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1200 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1201
1202 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1203
1204 The ``releaseMemory`` method
1205 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1206
1207 .. code-block:: c++
1208
1209   virtual void releaseMemory();
1210
1211 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1212 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1213 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1214 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1215 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1216
1217 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1218 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1219 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1220 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1221 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1222 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1223
1224 Registering dynamically loaded passes
1225 =====================================
1226
1227 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1228 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1229 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1230 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1231 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1232 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1233
1234 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1235 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1236
1237 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1238 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1239 communicates additions and deletions to the command line interface.
1240
1241 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1242 information provided about a particular pass.  This information includes the
1243 command line name, the command help string and the address of the function used
1244 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1245 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1246 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1247 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1248 load and unregister at unload.
1249
1250 Using existing registries
1251 -------------------------
1252
1253 There are predefined registries to track instruction scheduling
1254 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1255 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1256 pass.
1257
1258 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1259 ``.cpp`` file add the following include:
1260
1261 .. code-block:: c++
1262
1263   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1264
1265 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1266 form:
1267
1268 .. code-block:: c++
1269
1270   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1271     return new MyRegisterAllocator();
1272   }
1273
1274 Note that the signature of this function should match the type of
1275 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1276 declaration, in the form:
1277
1278 .. code-block:: c++
1279
1280   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1281                                      "my register allocator help string",
1282                                      createMyRegisterAllocator);
1283
1284 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1285 :option:`-help` query.
1286
1287 .. code-block:: console
1288
1289   $ llc -help
1290     ...
1291     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1292       =linearscan                -   linear scan register allocator
1293       =local                     -   local register allocator
1294       =simple                    -   simple register allocator
1295       =myregalloc                -   my register allocator help string
1296     ...
1297
1298 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1299 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1300 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1301 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1302 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1303
1304 To force the load/linking of your register allocator into the
1305 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1306 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1307 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1308
1309 Creating new registries
1310 -----------------------
1311
1312 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1313 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1314 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1315
1316 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1317 ``RegisterMyPasses`` then define:
1318
1319 .. code-block:: c++
1320
1321   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1322
1323 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1324
1325 .. code-block:: c++
1326
1327   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1328           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1329   MyPassOpt("mypass",
1330             cl::init(&createDefaultMyPass),
1331             cl::desc("my pass option help"));
1332
1333 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1334 default creator.
1335
1336 Using GDB with dynamically loaded passes
1337 ----------------------------------------
1338
1339 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1340 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1341 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1342 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1343 with GDB.
1344
1345 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1346 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1347 depends on that.
1348
1349 Setting a breakpoint in your pass
1350 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1351
1352 First thing you do is start gdb on the opt process:
1353
1354 .. code-block:: console
1355
1356   $ gdb opt
1357   GNU gdb 5.0
1358   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1359   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1360   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1361   Type "show copying" to see the conditions.
1362   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1363   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1364   (gdb)
1365
1366 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1367 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1368 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1369 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1370 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1371 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1372
1373 .. code-block:: console
1374
1375   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1376   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1377   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1378   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1379   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1380   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1381   (gdb)
1382
1383 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1384 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1385 do other standard debugging stuff.
1386
1387 Miscellaneous Problems
1388 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1389
1390 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1391 some with solutions, some without.
1392
1393 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1394   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1395   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1396   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1397   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1398
1399 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1400   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1401   Nex thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1402   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1403   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1404   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1405   execution stops in ``PassManager::run``.
1406
1407 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1408 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1409 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1410
1411 Future extensions planned
1412 -------------------------
1413
1414 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1415 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1416 where we are going:
1417
1418 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1419
1420 Multithreaded LLVM
1421 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1422
1423 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1424 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1425 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1426 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1427 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1428 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1429 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1430
1431 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1432 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1433 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1434 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1435 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.
1436