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[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / CallGraph.h
1 //===- CallGraph.h - Build a Module's call graph ----------------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This interface is used to build and manipulate a call graph, which is a very
11 // useful tool for interprocedural optimization.
12 //
13 // Every function in a module is represented as a node in the call graph.  The
14 // callgraph node keeps track of which functions the are called by the function
15 // corresponding to the node.
16 //
17 // A call graph may contain nodes where the function that they correspond to is
18 // null.  These 'external' nodes are used to represent control flow that is not
19 // represented (or analyzable) in the module.  In particular, this analysis
20 // builds one external node such that:
21 //   1. All functions in the module without internal linkage will have edges
22 //      from this external node, indicating that they could be called by
23 //      functions outside of the module.
24 //   2. All functions whose address is used for something more than a direct
25 //      call, for example being stored into a memory location will also have an
26 //      edge from this external node.  Since they may be called by an unknown
27 //      caller later, they must be tracked as such.
28 //
29 // There is a second external node added for calls that leave this module.
30 // Functions have a call edge to the external node iff:
31 //   1. The function is external, reflecting the fact that they could call
32 //      anything without internal linkage or that has its address taken.
33 //   2. The function contains an indirect function call.
34 //
35 // As an extension in the future, there may be multiple nodes with a null
36 // function.  These will be used when we can prove (through pointer analysis)
37 // that an indirect call site can call only a specific set of functions.
38 //
39 // Because of these properties, the CallGraph captures a conservative superset
40 // of all of the caller-callee relationships, which is useful for
41 // transformations.
42 //
43 // The CallGraph class also attempts to figure out what the root of the
44 // CallGraph is, which it currently does by looking for a function named 'main'.
45 // If no function named 'main' is found, the external node is used as the entry
46 // node, reflecting the fact that any function without internal linkage could
47 // be called into (which is common for libraries).
48 //
49 //===----------------------------------------------------------------------===//
50
51 #ifndef LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
52 #define LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
53
54 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
55 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
56 #include "llvm/Function.h"
57 #include "llvm/Pass.h"
58 #include "llvm/Support/CallSite.h"
59 #include "llvm/Support/IncludeFile.h"
60 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
61 #include <map>
62
63 namespace llvm {
64
65 class Function;
66 class Module;
67 class CallGraphNode;
68
69 //===----------------------------------------------------------------------===//
70 // CallGraph class definition
71 //
72 class CallGraph {
73 protected:
74   Module *Mod;              // The module this call graph represents
75
76   typedef std::map<const Function *, CallGraphNode *> FunctionMapTy;
77   FunctionMapTy FunctionMap;    // Map from a function to its node
78
79 public:
80   static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
81   //===---------------------------------------------------------------------
82   // Accessors.
83   //
84   typedef FunctionMapTy::iterator iterator;
85   typedef FunctionMapTy::const_iterator const_iterator;
86
87   /// getModule - Return the module the call graph corresponds to.
88   ///
89   Module &getModule() const { return *Mod; }
90
91   inline       iterator begin()       { return FunctionMap.begin(); }
92   inline       iterator end()         { return FunctionMap.end();   }
93   inline const_iterator begin() const { return FunctionMap.begin(); }
94   inline const_iterator end()   const { return FunctionMap.end();   }
95
96   // Subscripting operators, return the call graph node for the provided
97   // function
98   inline const CallGraphNode *operator[](const Function *F) const {
99     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
100     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
101     return I->second;
102   }
103   inline CallGraphNode *operator[](const Function *F) {
104     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
105     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
106     return I->second;
107   }
108
109   /// Returns the CallGraphNode which is used to represent undetermined calls
110   /// into the callgraph.  Override this if you want behavioral inheritance.
111   virtual CallGraphNode* getExternalCallingNode() const { return 0; }
112   virtual CallGraphNode* getCallsExternalNode()   const { return 0; }
113
114   /// Return the root/main method in the module, or some other root node, such
115   /// as the externalcallingnode.  Overload these if you behavioral
116   /// inheritance.
117   virtual CallGraphNode* getRoot() { return 0; }
118   virtual const CallGraphNode* getRoot() const { return 0; }
119
120   //===---------------------------------------------------------------------
121   // Functions to keep a call graph up to date with a function that has been
122   // modified.
123   //
124
125   /// removeFunctionFromModule - Unlink the function from this module, returning
126   /// it.  Because this removes the function from the module, the call graph
127   /// node is destroyed.  This is only valid if the function does not call any
128   /// other functions (ie, there are no edges in it's CGN).  The easiest way to
129   /// do this is to dropAllReferences before calling this.
130   ///
131   Function *removeFunctionFromModule(CallGraphNode *CGN);
132   Function *removeFunctionFromModule(Function *F) {
133     return removeFunctionFromModule((*this)[F]);
134   }
135
136   /// getOrInsertFunction - This method is identical to calling operator[], but
137   /// it will insert a new CallGraphNode for the specified function if one does
138   /// not already exist.
139   CallGraphNode *getOrInsertFunction(const Function *F);
140
141   /// spliceFunction - Replace the function represented by this node by another.
142   /// This does not rescan the body of the function, so it is suitable when
143   /// splicing the body of one function to another while also updating all
144   /// callers from the old function to the new.
145   ///
146   void spliceFunction(const Function *From, const Function *To);
147
148   //===---------------------------------------------------------------------
149   // Pass infrastructure interface glue code.
150   //
151 protected:
152   CallGraph() {}
153
154 public:
155   virtual ~CallGraph() { destroy(); }
156
157   /// initialize - Call this method before calling other methods,
158   /// re/initializes the state of the CallGraph.
159   ///
160   void initialize(Module &M);
161
162   void print(raw_ostream &o, Module *) const;
163   void dump() const;
164 protected:
165   // destroy - Release memory for the call graph
166   virtual void destroy();
167 };
168
169 //===----------------------------------------------------------------------===//
170 // CallGraphNode class definition.
171 //
172 class CallGraphNode {
173   friend class CallGraph;
174   
175   AssertingVH<Function> F;
176
177   // CallRecord - This is a pair of the calling instruction (a call or invoke)
178   // and the callgraph node being called.
179 public:
180   typedef std::pair<WeakVH, CallGraphNode*> CallRecord;
181 private:
182   std::vector<CallRecord> CalledFunctions;
183   
184   /// NumReferences - This is the number of times that this CallGraphNode occurs
185   /// in the CalledFunctions array of this or other CallGraphNodes.
186   unsigned NumReferences;
187
188   CallGraphNode(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
189   void operator=(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
190  
191   void DropRef() { --NumReferences; }
192   void AddRef() { ++NumReferences; }
193 public:
194   typedef std::vector<CallRecord> CalledFunctionsVector;
195
196   
197   // CallGraphNode ctor - Create a node for the specified function.
198   inline CallGraphNode(Function *f) : F(f), NumReferences(0) {}
199   ~CallGraphNode() {
200     assert(NumReferences == 0 && "Node deleted while references remain");
201   }
202   
203   //===---------------------------------------------------------------------
204   // Accessor methods.
205   //
206
207   typedef std::vector<CallRecord>::iterator iterator;
208   typedef std::vector<CallRecord>::const_iterator const_iterator;
209
210   // getFunction - Return the function that this call graph node represents.
211   Function *getFunction() const { return F; }
212
213   inline iterator begin() { return CalledFunctions.begin(); }
214   inline iterator end()   { return CalledFunctions.end();   }
215   inline const_iterator begin() const { return CalledFunctions.begin(); }
216   inline const_iterator end()   const { return CalledFunctions.end();   }
217   inline bool empty() const { return CalledFunctions.empty(); }
218   inline unsigned size() const { return (unsigned)CalledFunctions.size(); }
219
220   /// getNumReferences - Return the number of other CallGraphNodes in this
221   /// CallGraph that reference this node in their callee list.
222   unsigned getNumReferences() const { return NumReferences; }
223   
224   // Subscripting operator - Return the i'th called function.
225   //
226   CallGraphNode *operator[](unsigned i) const {
227     assert(i < CalledFunctions.size() && "Invalid index");
228     return CalledFunctions[i].second;
229   }
230
231   /// dump - Print out this call graph node.
232   ///
233   void dump() const;
234   void print(raw_ostream &OS) const;
235
236   //===---------------------------------------------------------------------
237   // Methods to keep a call graph up to date with a function that has been
238   // modified
239   //
240
241   /// removeAllCalledFunctions - As the name implies, this removes all edges
242   /// from this CallGraphNode to any functions it calls.
243   void removeAllCalledFunctions() {
244     while (!CalledFunctions.empty()) {
245       CalledFunctions.back().second->DropRef();
246       CalledFunctions.pop_back();
247     }
248   }
249   
250   /// stealCalledFunctionsFrom - Move all the callee information from N to this
251   /// node.
252   void stealCalledFunctionsFrom(CallGraphNode *N) {
253     assert(CalledFunctions.empty() &&
254            "Cannot steal callsite information if I already have some");
255     std::swap(CalledFunctions, N->CalledFunctions);
256   }
257   
258
259   /// addCalledFunction - Add a function to the list of functions called by this
260   /// one.
261   void addCalledFunction(CallSite CS, CallGraphNode *M) {
262     assert(!CS.getInstruction() ||
263            !CS.getCalledFunction() ||
264            !CS.getCalledFunction()->isIntrinsic());
265     CalledFunctions.push_back(std::make_pair(CS.getInstruction(), M));
266     M->AddRef();
267   }
268
269   void removeCallEdge(iterator I) {
270     I->second->DropRef();
271     *I = CalledFunctions.back();
272     CalledFunctions.pop_back();
273   }
274   
275   
276   /// removeCallEdgeFor - This method removes the edge in the node for the
277   /// specified call site.  Note that this method takes linear time, so it
278   /// should be used sparingly.
279   void removeCallEdgeFor(CallSite CS);
280
281   /// removeAnyCallEdgeTo - This method removes all call edges from this node
282   /// to the specified callee function.  This takes more time to execute than
283   /// removeCallEdgeTo, so it should not be used unless necessary.
284   void removeAnyCallEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
285
286   /// removeOneAbstractEdgeTo - Remove one edge associated with a null callsite
287   /// from this node to the specified callee function.
288   void removeOneAbstractEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
289   
290   /// replaceCallEdge - This method replaces the edge in the node for the
291   /// specified call site with a new one.  Note that this method takes linear
292   /// time, so it should be used sparingly.
293   void replaceCallEdge(CallSite CS, CallSite NewCS, CallGraphNode *NewNode);
294   
295   /// allReferencesDropped - This is a special function that should only be
296   /// used by the CallGraph class.
297   void allReferencesDropped() {
298     NumReferences = 0;
299   }
300 };
301
302 //===----------------------------------------------------------------------===//
303 // GraphTraits specializations for call graphs so that they can be treated as
304 // graphs by the generic graph algorithms.
305 //
306
307 // Provide graph traits for tranversing call graphs using standard graph
308 // traversals.
309 template <> struct GraphTraits<CallGraphNode*> {
310   typedef CallGraphNode NodeType;
311
312   typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
313   typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, CallGraphNode*> CGNDerefFun;
314
315   static NodeType *getEntryNode(CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
316
317   typedef mapped_iterator<NodeType::iterator, CGNDerefFun> ChildIteratorType;
318
319   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
320     return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
321   }
322   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) {
323     return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
324   }
325
326   static CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) {
327     return P.second;
328   }
329
330 };
331
332 template <> struct GraphTraits<const CallGraphNode*> {
333   typedef const CallGraphNode NodeType;
334   typedef NodeType::const_iterator ChildIteratorType;
335
336   static NodeType *getEntryNode(const CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
337   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin();}
338   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) { return N->end(); }
339 };
340
341 template<> struct GraphTraits<CallGraph*> : public GraphTraits<CallGraphNode*> {
342   static NodeType *getEntryNode(CallGraph *CGN) {
343     return CGN->getExternalCallingNode();  // Start at the external node!
344   }
345   typedef std::pair<const Function*, CallGraphNode*> PairTy;
346   typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, CallGraphNode&> DerefFun;
347
348   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
349   typedef mapped_iterator<CallGraph::iterator, DerefFun> nodes_iterator;
350   static nodes_iterator nodes_begin(CallGraph *CG) {
351     return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
352   }
353   static nodes_iterator nodes_end  (CallGraph *CG) {
354     return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
355   }
356
357   static CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) {
358     return *P.second;
359   }
360 };
361
362 template<> struct GraphTraits<const CallGraph*> :
363   public GraphTraits<const CallGraphNode*> {
364   static NodeType *getEntryNode(const CallGraph *CGN) {
365     return CGN->getExternalCallingNode();
366   }
367   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
368   typedef CallGraph::const_iterator nodes_iterator;
369   static nodes_iterator nodes_begin(const CallGraph *CG) { return CG->begin(); }
370   static nodes_iterator nodes_end  (const CallGraph *CG) { return CG->end(); }
371 };
372
373 } // End llvm namespace
374
375 // Make sure that any clients of this file link in CallGraph.cpp
376 FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(CallGraph)
377
378 #endif