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 /// \file
  10 ///
  11 /// This file provides interfaces used to build and manipulate a call graph,
  12 /// which is a very useful tool for interprocedural optimization.
  13 ///
  14 /// Every function in a module is represented as a node in the call graph.  The
  15 /// callgraph node keeps track of which functions are called by the function
  16 /// corresponding to the node.
  17 ///
  18 /// A call graph may contain nodes where the function that they correspond to
  19 /// is null.  These 'external' nodes are used to represent control flow that is
  20 /// not represented (or analyzable) in the module.  In particular, this
  21 /// analysis builds one external node such that:
  22 ///   1. All functions in the module without internal linkage will have edges
  23 ///      from this external node, indicating that they could be called by
  24 ///      functions outside of the module.
  25 ///   2. All functions whose address is used for something more than a direct
  26 ///      call, for example being stored into a memory location will also have
  27 ///      an edge from this external node.  Since they may be called by an
  28 ///      unknown caller later, they must be tracked as such.
  29 ///
  30 /// There is a second external node added for calls that leave this module.
  31 /// Functions have a call edge to the external node iff:
  32 ///   1. The function is external, reflecting the fact that they could call
  33 ///      anything without internal linkage or that has its address taken.
  34 ///   2. The function contains an indirect function call.
  35 ///
  36 /// As an extension in the future, there may be multiple nodes with a null
  37 /// function.  These will be used when we can prove (through pointer analysis)
  38 /// that an indirect call site can call only a specific set of functions.
  39 ///
  40 /// Because of these properties, the CallGraph captures a conservative superset
  41 /// of all of the caller-callee relationships, which is useful for
  42 /// transformations.
  43 ///
  44 /// The CallGraph class also attempts to figure out what the root of the
  45 /// CallGraph is, which it currently does by looking for a function named
  46 /// 'main'. If no function named 'main' is found, the external node is used as
  47 /// the entry node, reflecting the fact that any function without internal
  48 /// linkage could be called into (which is common for libraries).
  49 ///
  50 //===----------------------------------------------------------------------===//
  51
  52 #ifndef LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
  53 #define LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
  54
  55 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
  56 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  57 #include "llvm/IR/CallSite.h"
  58 #include "llvm/IR/Function.h"
  59 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
  60 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
  61 #include "llvm/Pass.h"
  62 #include <map>
  63
  64 namespace llvm {
  65
  66 class Function;
  67 class Module;
  68 class CallGraphNode;
  69
  70 /// \brief The basic data container for the call graph of a \c Module of IR.
  71 ///
  72 /// This class exposes both the interface to the call graph for a module of IR.
  73 ///
  74 /// The core call graph itself can also be updated to reflect changes to the IR.
  75 class CallGraph {
  76   Module &M;
  77
  78   typedef std::map<const Function *, CallGraphNode *> FunctionMapTy;
  79
  80   /// \brief A map from \c Function* to \c CallGraphNode*.
  81   FunctionMapTy FunctionMap;
  82
  83   /// \brief Root is root of the call graph, or the external node if a 'main'
  84   /// function couldn't be found.
  85   CallGraphNode *Root;
  86
  87   /// \brief This node has edges to all external functions and those internal
  88   /// functions that have their address taken.
  89   CallGraphNode *ExternalCallingNode;
  90
  91   /// \brief This node has edges to it from all functions making indirect calls
  92   /// or calling an external function.
  93   CallGraphNode *CallsExternalNode;
  94
  95   /// \brief Replace the function represented by this node by another.
  96   ///
  97   /// This does not rescan the body of the function, so it is suitable when
  98   /// splicing the body of one function to another while also updating all
  99   /// callers from the old function to the new.
 100   void spliceFunction(const Function *From, const Function *To);
 101
 102   /// \brief Add a function to the call graph, and link the node to all of the
 103   /// functions that it calls.
 104   void addToCallGraph(Function *F);
 105
 106 public:
 107   CallGraph(Module &M);
 108   ~CallGraph();
 109
 110   void print(raw_ostream &OS) const;
 111   void dump() const;
 112
 113   typedef FunctionMapTy::iterator iterator;
 114   typedef FunctionMapTy::const_iterator const_iterator;
 115
 116   /// \brief Returns the module the call graph corresponds to.
 117   Module &getModule() const { return M; }
 118
 119   inline iterator begin() { return FunctionMap.begin(); }
 120   inline iterator end() { return FunctionMap.end(); }
 121   inline const_iterator begin() const { return FunctionMap.begin(); }
 122   inline const_iterator end() const { return FunctionMap.end(); }
 123
 124   /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
 125   inline const CallGraphNode *operator[](const Function *F) const {
 126     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
 127     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
 128     return I->second;
 129   }
 130
 131   /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
 132   inline CallGraphNode *operator[](const Function *F) {
 133     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
 134     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
 135     return I->second;
 136   }
 137
 138   /// \brief Returns the \c CallGraphNode which is used to represent
 139   /// undetermined calls into the callgraph.
 140   CallGraphNode *getExternalCallingNode() const { return ExternalCallingNode; }
 141
 142   CallGraphNode *getCallsExternalNode() const { return CallsExternalNode; }
 143
 144   //===---------------------------------------------------------------------
 145   // Functions to keep a call graph up to date with a function that has been
 146   // modified.
 147   //
 148
 149   /// \brief Unlink the function from this module, returning it.
 150   ///
 151   /// Because this removes the function from the module, the call graph node is
 152   /// destroyed.  This is only valid if the function does not call any other
 153   /// functions (ie, there are no edges in it's CGN).  The easiest way to do
 154   /// this is to dropAllReferences before calling this.
 155   Function *removeFunctionFromModule(CallGraphNode *CGN);
 156
 157   /// \brief Similar to operator[], but this will insert a new CallGraphNode for
 158   /// \c F if one does not already exist.
 159   CallGraphNode *getOrInsertFunction(const Function *F);
 160 };
 161
 162 /// \brief A node in the call graph for a module.
 163 ///
 164 /// Typically represents a function in the call graph. There are also special
 165 /// "null" nodes used to represent theoretical entries in the call graph.
 166 class CallGraphNode {
 167 public:
 168   /// \brief A pair of the calling instruction (a call or invoke)
 169   /// and the call graph node being called.
 170   typedef std::pair<WeakVH, CallGraphNode *> CallRecord;
 171
 172 public:
 173   typedef std::vector<CallRecord> CalledFunctionsVector;
 174
 175   /// \brief Creates a node for the specified function.
 176   inline CallGraphNode(Function *F) : F(F), NumReferences(0) {}
 177
 178   ~CallGraphNode() {
 179     assert(NumReferences == 0 && "Node deleted while references remain");
 180   }
 181
 182   typedef std::vector<CallRecord>::iterator iterator;
 183   typedef std::vector<CallRecord>::const_iterator const_iterator;
 184
 185   /// \brief Returns the function that this call graph node represents.
 186   Function *getFunction() const { return F; }
 187
 188   inline iterator begin() { return CalledFunctions.begin(); }
 189   inline iterator end() { return CalledFunctions.end(); }
 190   inline const_iterator begin() const { return CalledFunctions.begin(); }
 191   inline const_iterator end() const { return CalledFunctions.end(); }
 192   inline bool empty() const { return CalledFunctions.empty(); }
 193   inline unsigned size() const { return (unsigned)CalledFunctions.size(); }
 194
 195   /// \brief Returns the number of other CallGraphNodes in this CallGraph that
 196   /// reference this node in their callee list.
 197   unsigned getNumReferences() const { return NumReferences; }
 198
 199   /// \brief Returns the i'th called function.
 200   CallGraphNode *operator[](unsigned i) const {
 201     assert(i < CalledFunctions.size() && "Invalid index");
 202     return CalledFunctions[i].second;
 203   }
 204
 205   /// \brief Print out this call graph node.
 206   void dump() const;
 207   void print(raw_ostream &OS) const;
 208
 209   //===---------------------------------------------------------------------
 210   // Methods to keep a call graph up to date with a function that has been
 211   // modified
 212   //
 213
 214   /// \brief Removes all edges from this CallGraphNode to any functions it
 215   /// calls.
 216   void removeAllCalledFunctions() {
 217     while (!CalledFunctions.empty()) {
 218       CalledFunctions.back().second->DropRef();
 219       CalledFunctions.pop_back();
 220     }
 221   }
 222
 223   /// \brief Moves all the callee information from N to this node.
 224   void stealCalledFunctionsFrom(CallGraphNode *N) {
 225     assert(CalledFunctions.empty() &&
 226            "Cannot steal callsite information if I already have some");
 227     std::swap(CalledFunctions, N->CalledFunctions);
 228   }
 229
 230   /// \brief Adds a function to the list of functions called by this one.
 231   void addCalledFunction(CallSite CS, CallGraphNode *M) {
 232     assert(!CS.getInstruction() || !CS.getCalledFunction() ||
 233            !CS.getCalledFunction()->isIntrinsic() ||
 234            !Intrinsic::isLeaf(CS.getCalledFunction()->getIntrinsicID()));
 235     CalledFunctions.emplace_back(CS.getInstruction(), M);
 236     M->AddRef();
 237   }
 238
 239   void removeCallEdge(iterator I) {
 240     I->second->DropRef();
 241     *I = CalledFunctions.back();
 242     CalledFunctions.pop_back();
 243   }
 244
 245   /// \brief Removes the edge in the node for the specified call site.
 246   ///
 247   /// Note that this method takes linear time, so it should be used sparingly.
 248   void removeCallEdgeFor(CallSite CS);
 249
 250   /// \brief Removes all call edges from this node to the specified callee
 251   /// function.
 252   ///
 253   /// This takes more time to execute than removeCallEdgeTo, so it should not
 254   /// be used unless necessary.
 255   void removeAnyCallEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
 256
 257   /// \brief Removes one edge associated with a null callsite from this node to
 258   /// the specified callee function.
 259   void removeOneAbstractEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
 260
 261   /// \brief Replaces the edge in the node for the specified call site with a
 262   /// new one.
 263   ///
 264   /// Note that this method takes linear time, so it should be used sparingly.
 265   void replaceCallEdge(CallSite CS, CallSite NewCS, CallGraphNode *NewNode);
 266
 267 private:
 268   friend class CallGraph;
 269
 270   AssertingVH<Function> F;
 271
 272   std::vector<CallRecord> CalledFunctions;
 273
 274   /// \brief The number of times that this CallGraphNode occurs in the
 275   /// CalledFunctions array of this or other CallGraphNodes.
 276   unsigned NumReferences;
 277
 278   CallGraphNode(const CallGraphNode &) = delete;
 279   void operator=(const CallGraphNode &) = delete;
 280
 281   void DropRef() { --NumReferences; }
 282   void AddRef() { ++NumReferences; }
 283
 284   /// \brief A special function that should only be used by the CallGraph class.
 285   void allReferencesDropped() { NumReferences = 0; }
 286 };
 287
 288 /// \brief An analysis pass to compute the \c CallGraph for a \c Module.
 289 ///
 290 /// This class implements the concept of an analysis pass used by the \c
 291 /// ModuleAnalysisManager to run an analysis over a module and cache the
 292 /// resulting data.
 293 class CallGraphAnalysis {
 294 public:
 295   /// \brief A formulaic typedef to inform clients of the result type.
 296   typedef CallGraph Result;
 297
 298   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
 299
 300   /// \brief Compute the \c CallGraph for the module \c M.
 301   ///
 302   /// The real work here is done in the \c CallGraph constructor.
 303   CallGraph run(Module *M) { return CallGraph(*M); }
 304
 305 private:
 306   static char PassID;
 307 };
 308
 309 /// \brief The \c ModulePass which wraps up a \c CallGraph and the logic to
 310 /// build it.
 311 ///
 312 /// This class exposes both the interface to the call graph container and the
 313 /// module pass which runs over a module of IR and produces the call graph. The
 314 /// call graph interface is entirelly a wrapper around a \c CallGraph object
 315 /// which is stored internally for each module.
 316 class CallGraphWrapperPass : public ModulePass {
 317   std::unique_ptr<CallGraph> G;
 318
 319 public:
 320   static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
 321
 322   CallGraphWrapperPass();
 323   ~CallGraphWrapperPass() override;
 324
 325   /// \brief The internal \c CallGraph around which the rest of this interface
 326   /// is wrapped.
 327   const CallGraph &getCallGraph() const { return *G; }
 328   CallGraph &getCallGraph() { return *G; }
 329
 330   typedef CallGraph::iterator iterator;
 331   typedef CallGraph::const_iterator const_iterator;
 332
 333   /// \brief Returns the module the call graph corresponds to.
 334   Module &getModule() const { return G->getModule(); }
 335
 336   inline iterator begin() { return G->begin(); }
 337   inline iterator end() { return G->end(); }
 338   inline const_iterator begin() const { return G->begin(); }
 339   inline const_iterator end() const { return G->end(); }
 340
 341   /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
 342   inline const CallGraphNode *operator[](const Function *F) const {
 343     return (*G)[F];
 344   }
 345
 346   /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
 347   inline CallGraphNode *operator[](const Function *F) { return (*G)[F]; }
 348
 349   /// \brief Returns the \c CallGraphNode which is used to represent
 350   /// undetermined calls into the callgraph.
 351   CallGraphNode *getExternalCallingNode() const {
 352     return G->getExternalCallingNode();
 353   }
 354
 355   CallGraphNode *getCallsExternalNode() const {
 356     return G->getCallsExternalNode();
 357   }
 358
 359   //===---------------------------------------------------------------------
 360   // Functions to keep a call graph up to date with a function that has been
 361   // modified.
 362   //
 363
 364   /// \brief Unlink the function from this module, returning it.
 365   ///
 366   /// Because this removes the function from the module, the call graph node is
 367   /// destroyed.  This is only valid if the function does not call any other
 368   /// functions (ie, there are no edges in it's CGN).  The easiest way to do
 369   /// this is to dropAllReferences before calling this.
 370   Function *removeFunctionFromModule(CallGraphNode *CGN) {
 371     return G->removeFunctionFromModule(CGN);
 372   }
 373
 374   /// \brief Similar to operator[], but this will insert a new CallGraphNode for
 375   /// \c F if one does not already exist.
 376   CallGraphNode *getOrInsertFunction(const Function *F) {
 377     return G->getOrInsertFunction(F);
 378   }
 379
 380   //===---------------------------------------------------------------------
 381   // Implementation of the ModulePass interface needed here.
 382   //
 383
 384   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
 385   bool runOnModule(Module &M) override;
 386   void releaseMemory() override;
 387
 388   void print(raw_ostream &o, const Module *) const override;
 389   void dump() const;
 390 };
 391
 392 //===----------------------------------------------------------------------===//
 393 // GraphTraits specializations for call graphs so that they can be treated as
 394 // graphs by the generic graph algorithms.
 395 //
 396
 397 // Provide graph traits for tranversing call graphs using standard graph
 398 // traversals.
 399 template <> struct GraphTraits<CallGraphNode *> {
 400   typedef CallGraphNode NodeType;
 401
 402   typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
 403   typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, CallGraphNode *>
 404   CGNDerefFun;
 405
 406   static NodeType *getEntryNode(CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
 407
 408   typedef mapped_iterator<NodeType::iterator, CGNDerefFun> ChildIteratorType;
 409
 410   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
 411     return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
 412   }
 413   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
 414     return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
 415   }
 416
 417   static CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) { return P.second; }
 418 };
 419
 420 template <> struct GraphTraits<const CallGraphNode *> {
 421   typedef const CallGraphNode NodeType;
 422
 423   typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
 424   typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, const CallGraphNode *>
 425       CGNDerefFun;
 426
 427   static NodeType *getEntryNode(const CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
 428
 429   typedef mapped_iterator<NodeType::const_iterator, CGNDerefFun>
 430       ChildIteratorType;
 431
 432   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
 433     return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
 434   }
 435   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
 436     return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
 437   }
 438
 439   static const CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) { return P.second; }
 440 };
 441
 442 template <>
 443 struct GraphTraits<CallGraph *> : public GraphTraits<CallGraphNode *> {
 444   static NodeType *getEntryNode(CallGraph *CGN) {
 445     return CGN->getExternalCallingNode(); // Start at the external node!
 446   }
 447   typedef std::pair<const Function *, CallGraphNode *> PairTy;
 448   typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, CallGraphNode &> DerefFun;
 449
 450   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
 451   typedef mapped_iterator<CallGraph::iterator, DerefFun> nodes_iterator;
 452   static nodes_iterator nodes_begin(CallGraph *CG) {
 453     return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
 454   }
 455   static nodes_iterator nodes_end(CallGraph *CG) {
 456     return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
 457   }
 458
 459   static CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) { return *P.second; }
 460 };
 461
 462 template <>
 463 struct GraphTraits<const CallGraph *> : public GraphTraits<
 464                                             const CallGraphNode *> {
 465   static NodeType *getEntryNode(const CallGraph *CGN) {
 466     return CGN->getExternalCallingNode(); // Start at the external node!
 467   }
 468   typedef std::pair<const Function *, const CallGraphNode *> PairTy;
 469   typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, const CallGraphNode &>
 470       DerefFun;
 471
 472   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
 473   typedef mapped_iterator<CallGraph::const_iterator, DerefFun> nodes_iterator;
 474   static nodes_iterator nodes_begin(const CallGraph *CG) {
 475     return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
 476   }
 477   static nodes_iterator nodes_end(const CallGraph *CG) {
 478     return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
 479   }
 480
 481   static const CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) { return *P.second; }
 482 };
 483
 484 } // End llvm namespace
 485
 486 #endif