Documentation: convert WritingAnLLVMPass.html to reST.
[oota-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMPass.rst
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
4
5 .. contents::
6     :local:
7
8 Written by `Chris Lattner <mailto:sabre@nondot.org>`_ and
9 `Jim Laskey <mailto:jlaskey@mac.com>`_
10
11 Introduction --- What is a pass?
12 ================================
13
14 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
15 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
16 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
17 build the analysis results that are used by these transformations, and they
18 are, above all, a structuring technique for compiler code.
19
20 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
21 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
22 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
23 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
24 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
25 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
26 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
27 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
28 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>`, or :ref:`BasicBlockPass
29 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>` classes, which gives the system more
30 information about what your pass does, and how it can be combined with other
31 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
32 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
33 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
34
35 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
36 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
37 advanced features are discussed.
38
39 Quick Start --- Writing hello world
40 ===================================
41
42 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
43 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
44 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
45 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
46 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
47
48 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
49
50 Setting up the build environment
51 --------------------------------
52
53 .. FIXME: Why does this recommend to build in-tree?
54
55 First, configure and build LLVM.  This needs to be done directly inside the
56 LLVM source tree rather than in a separate objects directory.  Next, you need
57 to create a new directory somewhere in the LLVM source base.  For this example,
58 we'll assume that you made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up
59 a build script (``Makefile``) that will compile the source code for the new
60 pass.  To do this, copy the following into ``Makefile``:
61
62 .. code-block:: make
63
64     # Makefile for hello pass
65
66     # Path to top level of LLVM hierarchy
67     LEVEL = ../../..
68
69     # Name of the library to build
70     LIBRARYNAME = Hello
71
72     # Make the shared library become a loadable module so the tools can
73     # dlopen/dlsym on the resulting library.
74     LOADABLE_MODULE = 1
75
76     # Include the makefile implementation stuff
77     include $(LEVEL)/Makefile.common
78
79 This makefile specifies that all of the ``.cpp`` files in the current directory
80 are to be compiled and linked together into a shared object
81 ``$(LEVEL)/Debug+Asserts/lib/Hello.so`` that can be dynamically loaded by the
82 :program:`opt` or :program:`bugpoint` tools via their :option:`-load` options.
83 If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as Windows or Mac
84 OS X), the appropriate extension will be used.
85
86 If you are used CMake to build LLVM, see :ref:`cmake-out-of-source-pass`.
87
88 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
89 the pass itself.
90
91 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
92
93 Basic code required
94 -------------------
95
96 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
97 Start out with:
98
99 .. code-block:: c++
100
101   #include "llvm/Pass.h"
102   #include "llvm/Function.h"
103   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
104
105 Which are needed because we are writing a `Pass
106 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
107 `Function <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
108 be doing some printing.
109
110 Next we have:
111
112 .. code-block:: c++
113
114   using namespace llvm;
115
116 ... which is required because the functions from the include files live in the
117 llvm namespace.
118
119 Next we have:
120
121 .. code-block:: c++
122
123   namespace {
124
125 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
126 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
127 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
128 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
129 information.
130
131 Next, we declare our pass itself:
132
133 .. code-block:: c++
134
135   struct Hello : public FunctionPass {
136
137 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of `FunctionPass
138 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
139 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
140 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
141
142 .. code-block:: c++
143
144     static char ID;
145     Hello() : FunctionPass(ID) {}
146
147 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
148 to avoid using expensive C++ runtime information.
149
150 .. code-block:: c++
151
152       virtual bool runOnFunction(Function &F) {
153         errs() << "Hello: ";
154         errs().write_escaped(F.getName()) << "\n";
155         return false;
156       }
157     }; // end of struct Hello
158   }  // end of anonymous namespace
159
160 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
161 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
162 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
163 thing, so we just print out our message with the name of each function.
164
165 .. code-block:: c++
166
167   char Hello::ID = 0;
168
169 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
170 initialization value is not important.
171
172 .. code-block:: c++
173
174   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
175                                false /* Only looks at CFG */,
176                                false /* Analysis Pass */);
177
178 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
179 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
180 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
181 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
182 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
183 the fourth argument.
184
185 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
186
187 .. code-block:: c++
188
189     #include "llvm/Pass.h"
190     #include "llvm/Function.h"
191     #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
192
193     using namespace llvm;
194
195     namespace {
196       struct Hello : public FunctionPass {
197         static char ID;
198         Hello() : FunctionPass(ID) {}
199
200         virtual bool runOnFunction(Function &F) {
201           errs() << "Hello: ";
202           errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
203           return false;
204         }
205       };
206     }
207
208     char Hello::ID = 0;
209     static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass", false, false);
210
211 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
212 in the local directory and you should get a new file
213 "``Debug+Asserts/lib/Hello.so``" under the top level directory of the LLVM
214 source tree (not in the local directory).  Note that everything in this file is
215 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
216 are self contained units that do not need external interfaces (although they
217 can have them) to be useful.
218
219 Running a pass with ``opt``
220 ---------------------------
221
222 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
223 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
224 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
225 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
226
227 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
228 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
229 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
230 will work):
231
232 .. code-block:: console
233
234   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello < hello.bc > /dev/null
235   Hello: __main
236   Hello: puts
237   Hello: main
238
239 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
240 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
241 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
242 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
243 the program in any interesting way, we just throw away the result of
244 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
245
246 To see what happened to the other string you registered, try running
247 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
248
249 .. code-block:: console
250
251   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -help
252   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer
253
254   USAGE: opt [options] <input bitcode>
255
256   OPTIONS:
257     Optimizations available:
258   ...
259       -globalopt                - Global Variable Optimizer
260       -globalsmodref-aa         - Simple mod/ref analysis for globals
261       -gvn                      - Global Value Numbering
262       -hello                    - Hello World Pass
263       -indvars                  - Induction Variable Simplification
264       -inline                   - Function Integration/Inlining
265       -insert-edge-profiling    - Insert instrumentation for edge profiling
266   ...
267
268 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
269 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
270 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
271 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
272 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
273 nice command line option (:option:`--time-passes`) that allows you to get
274 information about the execution time of your pass along with the other passes
275 you queue up.  For example:
276
277 .. code-block:: console
278
279   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
280   Hello: __main
281   Hello: puts
282   Hello: main
283   ===============================================================================
284                         ... Pass execution timing report ...
285   ===============================================================================
286     Total Execution Time: 0.02 seconds (0.0479059 wall clock)
287
288      ---User Time---   --System Time--   --User+System--   ---Wall Time---  --- Pass Name ---
289      0.0100 (100.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0402 ( 84.0%)  Bitcode Writer
290      0.0000 (  0.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0100 ( 50.0%)   0.0031 (  6.4%)  Dominator Set Construction
291      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0013 (  2.7%)  Module Verifier
292      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0033 (  6.9%)  Hello World Pass
293      0.0100 (100.0%)   0.0100 (100.0%)   0.0200 (100.0%)   0.0479 (100.0%)  TOTAL
294
295 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
296 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
297 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
298 hasn't been broken somehow.
299
300 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
301 about some more details of how they work and how to use them.
302
303 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
304
305 Pass classes and requirements
306 =============================
307
308 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
309 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
310 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
311 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
312 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
313 available, from the most general to the most specific.
314
315 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
316 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
317 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
318 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
319 slow.
320
321 The ``ImmutablePass`` class
322 ---------------------------
323
324 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
325 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
326 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
327 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
328 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
329
330 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
331 providing information about the current target machine being compiled for, and
332 other static information that can affect the various transformations.
333
334 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
335 invalidated, and are never "run".
336
337 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
338
339 The ``ModulePass`` class
340 ------------------------
341
342 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
343 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
344 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
345 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
346 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
347 subclasses, no optimization can be done for their execution.
348
349 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
350 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
351 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
352 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
353 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
354 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
355 declarations.
356
357 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
358 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
359
360 The ``runOnModule`` method
361 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
362
363 .. code-block:: c++
364
365   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
366
367 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
368 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
369 ``false`` otherwise.
370
371 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
372
373 The ``CallGraphSCCPass`` class
374 ------------------------------
375
376 The `CallGraphSCCPass
377 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
378 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
379 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
380 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
381 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
382 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
383 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
384 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
385 ``CallGraphSCCPass``.
386
387 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
388
389 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
390
391 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
392    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
393 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
394    reflect any changes made to the program.
395 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
396    they may change the contents of an SCC.
397 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
398 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
399    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
400
401 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
402 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
403 described below should return ``true`` if they modified the program, or
404 ``false`` if they didn't.
405
406 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
407 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
408
409 .. code-block:: c++
410
411   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
412
413 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
414 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
415 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
416 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
417 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
418 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
419
420 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
421
422 The ``runOnSCC`` method
423 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
424
425 .. code-block:: c++
426
427   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
428
429 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
430 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
431 otherwise.
432
433 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
434 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
435
436 .. code-block:: c++
437
438   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
439
440 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
441 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
442 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
443 compiled.
444
445 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
446
447 The ``FunctionPass`` class
448 --------------------------
449
450 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
451 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
452 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
453 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
454 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
455 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
456 external functions.
457
458 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
459
460 #. Modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
461 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
462 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
463 #. Maintain state across invocations of:ref:`runOnFunction
464    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
465
466 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
467 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
468 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
469 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
470 ``false`` if they didn't.
471
472 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
473
474 The ``doInitialization(Module &)`` method
475 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
476
477 .. code-block:: c++
478
479   virtual bool doInitialization(Module &M);
480
481 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
482 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
483 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
484 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
485 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
486 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
487
488 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
489 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
490 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
491 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
492 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
493 needs, adding prototypes to the module if necessary.
494
495 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
496
497 The ``runOnFunction`` method
498 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
499
500 .. code-block:: c++
501
502   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
503
504 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
505 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
506 should be returned if the function is modified.
507
508 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
509
510 The ``doFinalization(Module &)`` method
511 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
512
513 .. code-block:: c++
514
515   virtual bool doFinalization(Module &M);
516
517 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
518 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
519 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
520 compiled.
521
522 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
523
524 The ``LoopPass`` class
525 ----------------------
526
527 All ``LoopPass`` execute on each loop in the function independent of all of the
528 other loops in the function.  ``LoopPass`` processes loops in loop nest order
529 such that outer most loop is processed last.
530
531 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
532 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
533 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
534 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
535 if they didn't.
536
537 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
538 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
539
540 .. code-block:: c++
541
542   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
543
544 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
545 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
546 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
547 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
548 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
549
550 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
551
552 The ``runOnLoop`` method
553 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
554
555 .. code-block:: c++
556
557   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
558
559 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
560 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
561 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
562 should be used to update loop nest.
563
564 The ``doFinalization()`` method
565 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
566
567 .. code-block:: c++
568
569   virtual bool doFinalization();
570
571 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
572 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
573 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
574
575 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
576
577 The ``RegionPass`` class
578 ------------------------
579
580 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
581 but executes on each single entry single exit region in the function.
582 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
583 region is processed last.
584
585 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
586 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
587 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
588 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
589
590 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
591 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
592
593 .. code-block:: c++
594
595   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
596
597 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
598 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
599 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
600 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
601 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
602
603 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
604
605 The ``runOnRegion`` method
606 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
607
608 .. code-block:: c++
609
610   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
611
612 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
613 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
614 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
615 update region tree.
616
617 The ``doFinalization()`` method
618 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
619
620 .. code-block:: c++
621
622   virtual bool doFinalization();
623
624 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
625 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
626 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
627 compiled.
628
629 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
630
631 The ``BasicBlockPass`` class
632 ----------------------------
633
634 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
635 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
636 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
637 they are **not** allowed to do any of the following:
638
639 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
640 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
641    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
642 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
643 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
644    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
645
646 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
647 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
648 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
649 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
650 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
651 methods that may also be implemented:
652
653 The ``doInitialization(Function &)`` method
654 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
655
656 .. code-block:: c++
657
658   virtual bool doInitialization(Function &F);
659
660 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
661 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
662 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
663 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
664 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
665 pass executions (thus it should be very fast).
666
667 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
668
669 The ``runOnBasicBlock`` method
670 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
671
672 .. code-block:: c++
673
674   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
675
676 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
677 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
678 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
679 basic block is modified.
680
681 The ``doFinalization(Function &)`` method
682 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
683
684 .. code-block:: c++
685
686     virtual bool doFinalization(Function &F);
687
688 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
689 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
690 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
691 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
692
693 The ``MachineFunctionPass`` class
694 ---------------------------------
695
696 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
697 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
698
699 Code generator passes are registered and initialized specially by
700 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
701 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
702
703 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
704 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
705 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
706 are not allowed to do any of the following:
707
708 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
709    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
710    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
711 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
712 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
713    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
714
715 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
716
717 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
718 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
719
720 .. code-block:: c++
721
722   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
723
724 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
725 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
726 work of your ``MachineFunctionPass``.
727
728 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
729 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
730 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
731 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
732 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
733 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
734 ``MachineFunctionPass``.
735
736 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
737
738 Pass registration
739 -----------------
740
741 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
742 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
743 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
744 registered.
745
746 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
747 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
748 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
749 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
750 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
751 as for debug output generated by the :option:`--debug-pass` option.
752
753 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
754 print method:
755
756 The ``print`` method
757 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
758
759 .. code-block:: c++
760
761   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
762
763 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
764 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
765 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
766 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
767
768 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
769 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
770 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
771 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
772 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
773 depended on.
774
775 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
776
777 Specifying interactions between passes
778 --------------------------------------
779
780 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
781 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
782 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
783 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
784 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
785 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
786 which are invalidated by the current pass.
787
788 Typically this functionality is used to require that analysis results are
789 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
790 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
791 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
792 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
793 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
794
795 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
796
797 The ``getAnalysisUsage`` method
798 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
799
800 .. code-block:: c++
801
802   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
803
804 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
805 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
806 in the `AnalysisUsage
807 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
808 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
809 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
810
811 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
812 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
813
814 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
815 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
816 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
817 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
818 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
819 edges in the CFG when your pass has been run.
820
821 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
822 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
823 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
824 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
825 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
826 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
827
828 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
829 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
830
831 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
832 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
833 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
834 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
835 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
836 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
837 to invalidate all others.
838
839 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
840 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
841 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
842 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
843 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
844 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
845 instructions (note that this property is implicitly set for
846 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
847
848 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
849 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
850 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
851 fact that it hacks on the CFG.
852
853 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
854 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
855
856 .. code-block:: c++
857
858   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
859   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
860     AU.setPreservesCFG();
861     AU.addRequired<LoopInfo>();
862   }
863
864 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
865
866 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
867 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
868
869 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
870 providing you with access to the passes that you declared that you required
871 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
872 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
873 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
874
875 .. code-block:: c++
876
877   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
878     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
879     //...
880   }
881
882 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
883 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
884 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
885 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
886 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
887 invoked by your ``run*`` method.
888
889 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
890 For example:
891
892 .. code-block:: c++
893
894   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
895     //...
896     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
897     //...
898   }
899
900 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
901 manager before returning a reference to the desired pass.
902
903 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
904 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
905 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
906 it is active.  For example:
907
908 .. code-block:: c++
909
910   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
911     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
912   }
913
914 Implementing Analysis Groups
915 ----------------------------
916
917 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
918 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
919 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
920 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
921 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
922 required.
923
924 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
925 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
926 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
927 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
928 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
929 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
930 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
931 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
932 Analysis Groups.
933
934 Analysis Group Concepts
935 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
936
937 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
938 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
939 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
940 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
941 the "default" implementation.
942
943 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
944 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
945 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
946 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
947 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
948 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
949 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
950 apply.
951
952 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
953 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
954 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
955 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
956 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
957 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
958 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
959
960 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
961 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
962 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
963 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
964 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
965 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
966 Passes that use the `AliasAnalysis
967 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
968 example the `gcse <http://llvm.org/doxygen/structGCSE.html>`_ pass), do not
969 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
970 the designated interface.
971
972 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
973 command ``opt -gcse ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
974 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gcse
975 ...`` will cause the ``gcse`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
976 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
977
978 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
979
980 Using ``RegisterAnalysisGroup``
981 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
982
983 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
984 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
985 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
986 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
987 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
988 itself, because it is "abstract":
989
990 .. code-block:: c++
991
992   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
993
994 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
995 implementations of the interface by using the following code:
996
997 .. code-block:: c++
998
999   namespace {
1000     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1001     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
1002         "A more complex alias analysis implementation",
1003         false,  // Is CFG Only?
1004         true,   // Is Analysis?
1005         false); // Is default Analysis Group implementation?
1006   }
1007
1008 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1009 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1010 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1011 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1012
1013 .. code-block:: c++
1014
1015   namespace {
1016     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1017     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1018         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1019         false, // Is CFG Only?
1020         true,  // Is Analysis?
1021         true); // Is default Analysis Group implementation?
1022   }
1023
1024 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1025 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1026 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1027 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1028 that the `BasicAliasAnalysis
1029 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1030 implementation for the interface.
1031
1032 Pass Statistics
1033 ===============
1034
1035 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h-source.html>`_ class is
1036 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1037 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1038 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1039 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1040
1041 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1042
1043 What PassManager does
1044 ---------------------
1045
1046 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h-source.html>`_ `class
1047 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1048 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1049 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1050 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1051
1052 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1053 series of passes:
1054
1055 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1056    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1057    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1058    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1059    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1060    results, allowing it to :ref:`free memory
1061    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1062    as soon as they are no longer needed.
1063
1064 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1065    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1066    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1067    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1068    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1069    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1070    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1071    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1072
1073    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1074    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1075    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1076    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1077    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1078    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1079    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1080
1081 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1082 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1083 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1084 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1085 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1086 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1087
1088 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1089 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1090 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1091 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1092 "``opt -help-hidden``").
1093
1094 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1095 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1096 passes.  Lets try it out with the gcse and licm passes:
1097
1098 .. code-block:: console
1099
1100   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1101   Module Pass Manager
1102     Function Pass Manager
1103       Dominator Set Construction
1104       Immediate Dominators Construction
1105       Global Common Subexpression Elimination
1106   --  Immediate Dominators Construction
1107   --  Global Common Subexpression Elimination
1108       Natural Loop Construction
1109       Loop Invariant Code Motion
1110   --  Natural Loop Construction
1111   --  Loop Invariant Code Motion
1112       Module Verifier
1113   --  Dominator Set Construction
1114   --  Module Verifier
1115     Bitcode Writer
1116   --Bitcode Writer
1117
1118 This output shows us when passes are constructed and when the analysis results
1119 are known to be dead (prefixed with "``--``").  Here we see that GCSE uses
1120 dominator and immediate dominator information to do its job.  The LICM pass
1121 uses natural loop information, which uses dominator sets, but not immediate
1122 dominators.  Because immediate dominators are no longer useful after the GCSE
1123 pass, it is immediately destroyed.  The dominator sets are then reused to
1124 compute natural loop information, which is then used by the LICM pass.
1125
1126 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1127 the :program:`opt` tool), which uses the dominator set to check that the
1128 resultant LLVM code is well formed.  After it finishes, the dominator set
1129 information is destroyed, after being computed once, and shared by three
1130 passes.
1131
1132 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1133 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1134
1135 .. code-block:: console
1136
1137   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1138   Module Pass Manager
1139     Function Pass Manager
1140       Dominator Set Construction
1141       Immediate Dominators Construction
1142       Global Common Subexpression Elimination
1143   --  Dominator Set Construction
1144   --  Immediate Dominators Construction
1145   --  Global Common Subexpression Elimination
1146       Hello World Pass
1147   --  Hello World Pass
1148       Dominator Set Construction
1149       Natural Loop Construction
1150       Loop Invariant Code Motion
1151   --  Natural Loop Construction
1152   --  Loop Invariant Code Motion
1153       Module Verifier
1154   --  Dominator Set Construction
1155   --  Module Verifier
1156     Bitcode Writer
1157   --Bitcode Writer
1158   Hello: __main
1159   Hello: puts
1160   Hello: main
1161
1162 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1163 has killed the Dominator Set pass, even though it doesn't modify the code at
1164 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1165 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1166
1167 .. code-block:: c++
1168
1169   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1170   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
1171     AU.setPreservesAll();
1172   }
1173
1174 Now when we run our pass, we get this output:
1175
1176 .. code-block:: console
1177
1178   $ opt -load ../../../Debug+Asserts/lib/Hello.so -gcse -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1179   Pass Arguments:  -gcse -hello -licm
1180   Module Pass Manager
1181     Function Pass Manager
1182       Dominator Set Construction
1183       Immediate Dominators Construction
1184       Global Common Subexpression Elimination
1185   --  Immediate Dominators Construction
1186   --  Global Common Subexpression Elimination
1187       Hello World Pass
1188   --  Hello World Pass
1189       Natural Loop Construction
1190       Loop Invariant Code Motion
1191   --  Loop Invariant Code Motion
1192   --  Natural Loop Construction
1193       Module Verifier
1194   --  Dominator Set Construction
1195   --  Module Verifier
1196     Bitcode Writer
1197   --Bitcode Writer
1198   Hello: __main
1199   Hello: puts
1200   Hello: main
1201
1202 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1203 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1204
1205 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1206
1207 The ``releaseMemory`` method
1208 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1209
1210 .. code-block:: c++
1211
1212   virtual void releaseMemory();
1213
1214 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1215 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1216 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1217 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1218 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1219
1220 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1221 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1222 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1223 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1224 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1225 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1226
1227 Registering dynamically loaded passes
1228 =====================================
1229
1230 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1231 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1232 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1233 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1234 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1235 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1236
1237 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1238 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1239
1240 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1241 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1242 communicates additions and deletions to the command line interface.
1243
1244 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1245 information provided about a particular pass.  This information includes the
1246 command line name, the command help string and the address of the function used
1247 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1248 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1249 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1250 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1251 load and unregister at unload.
1252
1253 Using existing registries
1254 -------------------------
1255
1256 There are predefined registries to track instruction scheduling
1257 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1258 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1259 pass.
1260
1261 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1262 ``.cpp`` file add the following include:
1263
1264 .. code-block:: c++
1265
1266   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1267
1268 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1269 form:
1270
1271 .. code-block:: c++
1272
1273   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1274     return new MyRegisterAllocator();
1275   }
1276
1277 Note that the signature of this function should match the type of
1278 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1279 declaration, in the form:
1280
1281 .. code-block:: c++
1282
1283   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1284                                      "my register allocator help string",
1285                                      createMyRegisterAllocator);
1286
1287 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1288 :option:`-help` query.
1289
1290 .. code-block:: console
1291
1292   $ llc -help
1293     ...
1294     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1295       =linearscan                -   linear scan register allocator
1296       =local                     -   local register allocator
1297       =simple                    -   simple register allocator
1298       =myregalloc                -   my register allocator help string
1299     ...
1300
1301 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1302 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1303 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1304 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1305 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1306
1307 To force the load/linking of your register allocator into the
1308 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1309 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1310 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1311
1312 Creating new registries
1313 -----------------------
1314
1315 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1316 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1317 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1318
1319 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1320 ``RegisterMyPasses`` then define:
1321
1322 .. code-block:: c++
1323
1324   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1325
1326 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1327
1328 .. code-block:: c++
1329
1330   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1331           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1332   MyPassOpt("mypass",
1333             cl::init(&createDefaultMyPass),
1334             cl::desc("my pass option help"));
1335
1336 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1337 default creator.
1338
1339 Using GDB with dynamically loaded passes
1340 ----------------------------------------
1341
1342 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1343 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1344 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1345 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1346 with GDB.
1347
1348 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1349 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1350 depends on that.
1351
1352 Setting a breakpoint in your pass
1353 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1354
1355 First thing you do is start gdb on the opt process:
1356
1357 .. code-block:: console
1358
1359   $ gdb opt
1360   GNU gdb 5.0
1361   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1362   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1363   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1364   Type "show copying" to see the conditions.
1365   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1366   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1367   (gdb)
1368
1369 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1370 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1371 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1372 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1373 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1374 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1375
1376 .. code-block:: console
1377
1378   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1379   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1380   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1381   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1382   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1383   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1384   (gdb)
1385
1386 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1387 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1388 do other standard debugging stuff.
1389
1390 Miscellaneous Problems
1391 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1392
1393 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1394 some with solutions, some without.
1395
1396 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1397   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1398   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1399   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1400   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1401
1402 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1403   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1404   Nex thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1405   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1406   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1407   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1408   execution stops in ``PassManager::run``.
1409
1410 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1411 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1412 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1413
1414 Future extensions planned
1415 -------------------------
1416
1417 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1418 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1419 where we are going:
1420
1421 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1422
1423 Multithreaded LLVM
1424 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1425
1426 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1427 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1428 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1429 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1430 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1431 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1432 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1433
1434 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1435 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1436 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1437 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1438 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.
1439