Merge System into Support.
[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/Function.h"
55 #include "llvm/Pass.h"
56 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
57 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
58 #include "llvm/Support/CallSite.h"
59 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
60 #include "llvm/Support/IncludeFile.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   //===---------------------------------------------------------------------
142   // Pass infrastructure interface glue code.
143   //
144 protected:
145   CallGraph() {}
146
147 public:
148   virtual ~CallGraph() { destroy(); }
149
150   /// initialize - Call this method before calling other methods,
151   /// re/initializes the state of the CallGraph.
152   ///
153   void initialize(Module &M);
154
155   void print(raw_ostream &o, Module *) const;
156   void dump() const;
157 protected:
158   // destroy - Release memory for the call graph
159   virtual void destroy();
160 };
161
162 //===----------------------------------------------------------------------===//
163 // CallGraphNode class definition.
164 //
165 class CallGraphNode {
166   AssertingVH<Function> F;
167   
168   // CallRecord - This is a pair of the calling instruction (a call or invoke)
169   // and the callgraph node being called.
170 public:
171   typedef std::pair<WeakVH, CallGraphNode*> CallRecord;
172 private:
173   std::vector<CallRecord> CalledFunctions;
174   
175   /// NumReferences - This is the number of times that this CallGraphNode occurs
176   /// in the CalledFunctions array of this or other CallGraphNodes.
177   unsigned NumReferences;
178
179   CallGraphNode(const CallGraphNode &);            // DO NOT IMPLEMENT
180   void operator=(const CallGraphNode &);           // DO NOT IMPLEMENT
181   
182   void DropRef() { --NumReferences; }
183   void AddRef() { ++NumReferences; }
184 public:
185   typedef std::vector<CallRecord> CalledFunctionsVector;
186
187   
188   // CallGraphNode ctor - Create a node for the specified function.
189   inline CallGraphNode(Function *f) : F(f), NumReferences(0) {}
190   ~CallGraphNode() {
191     assert(NumReferences == 0 && "Node deleted while references remain");
192   }
193   
194   //===---------------------------------------------------------------------
195   // Accessor methods.
196   //
197
198   typedef std::vector<CallRecord>::iterator iterator;
199   typedef std::vector<CallRecord>::const_iterator const_iterator;
200
201   // getFunction - Return the function that this call graph node represents.
202   Function *getFunction() const { return F; }
203
204   inline iterator begin() { return CalledFunctions.begin(); }
205   inline iterator end()   { return CalledFunctions.end();   }
206   inline const_iterator begin() const { return CalledFunctions.begin(); }
207   inline const_iterator end()   const { return CalledFunctions.end();   }
208   inline bool empty() const { return CalledFunctions.empty(); }
209   inline unsigned size() const { return (unsigned)CalledFunctions.size(); }
210
211   /// getNumReferences - Return the number of other CallGraphNodes in this
212   /// CallGraph that reference this node in their callee list.
213   unsigned getNumReferences() const { return NumReferences; }
214   
215   // Subscripting operator - Return the i'th called function.
216   //
217   CallGraphNode *operator[](unsigned i) const {
218     assert(i < CalledFunctions.size() && "Invalid index");
219     return CalledFunctions[i].second;
220   }
221
222   /// dump - Print out this call graph node.
223   ///
224   void dump() const;
225   void print(raw_ostream &OS) const;
226
227   //===---------------------------------------------------------------------
228   // Methods to keep a call graph up to date with a function that has been
229   // modified
230   //
231
232   /// removeAllCalledFunctions - As the name implies, this removes all edges
233   /// from this CallGraphNode to any functions it calls.
234   void removeAllCalledFunctions() {
235     while (!CalledFunctions.empty()) {
236       CalledFunctions.back().second->DropRef();
237       CalledFunctions.pop_back();
238     }
239   }
240   
241   /// stealCalledFunctionsFrom - Move all the callee information from N to this
242   /// node.
243   void stealCalledFunctionsFrom(CallGraphNode *N) {
244     assert(CalledFunctions.empty() &&
245            "Cannot steal callsite information if I already have some");
246     std::swap(CalledFunctions, N->CalledFunctions);
247   }
248   
249
250   /// addCalledFunction - Add a function to the list of functions called by this
251   /// one.
252   void addCalledFunction(CallSite CS, CallGraphNode *M) {
253     CalledFunctions.push_back(std::make_pair(CS.getInstruction(), M));
254     M->AddRef();
255   }
256
257   void removeCallEdge(iterator I) {
258     I->second->DropRef();
259     *I = CalledFunctions.back();
260     CalledFunctions.pop_back();
261   }
262   
263   
264   /// removeCallEdgeFor - This method removes the edge in the node for the
265   /// specified call site.  Note that this method takes linear time, so it
266   /// should be used sparingly.
267   void removeCallEdgeFor(CallSite CS);
268
269   /// removeAnyCallEdgeTo - This method removes all call edges from this node
270   /// to the specified callee function.  This takes more time to execute than
271   /// removeCallEdgeTo, so it should not be used unless necessary.
272   void removeAnyCallEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
273
274   /// removeOneAbstractEdgeTo - Remove one edge associated with a null callsite
275   /// from this node to the specified callee function.
276   void removeOneAbstractEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
277   
278   /// replaceCallEdge - This method replaces the edge in the node for the
279   /// specified call site with a new one.  Note that this method takes linear
280   /// time, so it should be used sparingly.
281   void replaceCallEdge(CallSite CS, CallSite NewCS, CallGraphNode *NewNode);
282   
283   /// allReferencesDropped - This is a special function that should only be
284   /// used by the CallGraph class.
285   void allReferencesDropped() {
286     NumReferences = 0;
287   }
288 };
289
290 //===----------------------------------------------------------------------===//
291 // GraphTraits specializations for call graphs so that they can be treated as
292 // graphs by the generic graph algorithms.
293 //
294
295 // Provide graph traits for tranversing call graphs using standard graph
296 // traversals.
297 template <> struct GraphTraits<CallGraphNode*> {
298   typedef CallGraphNode NodeType;
299
300   typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
301   typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, CallGraphNode*> CGNDerefFun;
302
303   static NodeType *getEntryNode(CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
304
305   typedef mapped_iterator<NodeType::iterator, CGNDerefFun> ChildIteratorType;
306
307   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
308     return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
309   }
310   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) {
311     return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
312   }
313
314   static CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) {
315     return P.second;
316   }
317
318 };
319
320 template <> struct GraphTraits<const CallGraphNode*> {
321   typedef const CallGraphNode NodeType;
322   typedef NodeType::const_iterator ChildIteratorType;
323
324   static NodeType *getEntryNode(const CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
325   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin();}
326   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) { return N->end(); }
327 };
328
329 template<> struct GraphTraits<CallGraph*> : public GraphTraits<CallGraphNode*> {
330   static NodeType *getEntryNode(CallGraph *CGN) {
331     return CGN->getExternalCallingNode();  // Start at the external node!
332   }
333   typedef std::pair<const Function*, CallGraphNode*> PairTy;
334   typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, CallGraphNode&> DerefFun;
335
336   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
337   typedef mapped_iterator<CallGraph::iterator, DerefFun> nodes_iterator;
338   static nodes_iterator nodes_begin(CallGraph *CG) {
339     return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
340   }
341   static nodes_iterator nodes_end  (CallGraph *CG) {
342     return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
343   }
344
345   static CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) {
346     return *P.second;
347   }
348 };
349
350 template<> struct GraphTraits<const CallGraph*> :
351   public GraphTraits<const CallGraphNode*> {
352   static NodeType *getEntryNode(const CallGraph *CGN) {
353     return CGN->getExternalCallingNode();
354   }
355   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
356   typedef CallGraph::const_iterator nodes_iterator;
357   static nodes_iterator nodes_begin(const CallGraph *CG) { return CG->begin(); }
358   static nodes_iterator nodes_end  (const CallGraph *CG) { return CG->end(); }
359 };
360
361 } // End llvm namespace
362
363 // Make sure that any clients of this file link in CallGraph.cpp
364 FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(CallGraph)
365
366 #endif