Merge CallGraph and BasicCallGraph.
[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/IR/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 : public ModulePass {
73   Module *Mod;              // The module this call graph represents
74
75   typedef std::map<const Function *, CallGraphNode *> FunctionMapTy;
76   FunctionMapTy FunctionMap;    // Map from a function to its node
77
78   // Root is root of the call graph, or the external node if a 'main' function
79   // couldn't be found.
80   //
81   CallGraphNode *Root;
82
83   // ExternalCallingNode - This node has edges to all external functions and
84   // those internal functions that have their address taken.
85   CallGraphNode *ExternalCallingNode;
86
87   // CallsExternalNode - This node has edges to it from all functions making
88   // indirect calls or calling an external function.
89   CallGraphNode *CallsExternalNode;
90
91   /// Replace the function represented by this node by another.
92   /// This does not rescan the body of the function, so it is suitable when
93   /// splicing the body of one function to another while also updating all
94   /// callers from the old function to the new.
95   ///
96   void spliceFunction(const Function *From, const Function *To);
97
98   // Add a function to the call graph, and link the node to all of the functions
99   // that it calls.
100   void addToCallGraph(Function *F);
101
102 public:
103   static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
104   //===---------------------------------------------------------------------
105   // Accessors.
106   //
107   typedef FunctionMapTy::iterator iterator;
108   typedef FunctionMapTy::const_iterator const_iterator;
109
110   /// getModule - Return the module the call graph corresponds to.
111   ///
112   Module &getModule() const { return *Mod; }
113
114   inline       iterator begin()       { return FunctionMap.begin(); }
115   inline       iterator end()         { return FunctionMap.end();   }
116   inline const_iterator begin() const { return FunctionMap.begin(); }
117   inline const_iterator end()   const { return FunctionMap.end();   }
118
119   // Subscripting operators, return the call graph node for the provided
120   // function
121   inline const CallGraphNode *operator[](const Function *F) const {
122     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
123     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
124     return I->second;
125   }
126   inline CallGraphNode *operator[](const Function *F) {
127     const_iterator I = FunctionMap.find(F);
128     assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
129     return I->second;
130   }
131
132   /// Returns the CallGraphNode which is used to represent undetermined calls
133   /// into the callgraph.
134   CallGraphNode *getExternalCallingNode() const { return ExternalCallingNode; }
135   CallGraphNode *getCallsExternalNode() const { return CallsExternalNode; }
136
137   /// Return the root/main method in the module, or some other root node, such
138   /// as the externalcallingnode.
139   CallGraphNode *getRoot() { return Root; }
140   const CallGraphNode *getRoot() const { return Root; }
141
142   //===---------------------------------------------------------------------
143   // Functions to keep a call graph up to date with a function that has been
144   // modified.
145   //
146
147   /// removeFunctionFromModule - Unlink the function from this module, returning
148   /// it.  Because this removes the function from the module, the call graph
149   /// node is destroyed.  This is only valid if the function does not call any
150   /// other functions (ie, there are no edges in it's CGN).  The easiest way to
151   /// do this is to dropAllReferences before calling this.
152   ///
153   Function *removeFunctionFromModule(CallGraphNode *CGN);
154
155   /// getOrInsertFunction - This method is identical to calling operator[], but
156   /// it will insert a new CallGraphNode for the specified function if one does
157   /// not already exist.
158   CallGraphNode *getOrInsertFunction(const Function *F);
159
160   CallGraph();
161   virtual ~CallGraph() { releaseMemory(); }
162   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
163   virtual bool runOnModule(Module &M);
164   virtual void releaseMemory();
165
166   void print(raw_ostream &o, const Module *) const;
167   void dump() const;
168 };
169
170 //===----------------------------------------------------------------------===//
171 // CallGraphNode class definition.
172 //
173 class CallGraphNode {
174   friend class CallGraph;
175   
176   AssertingVH<Function> F;
177
178   // CallRecord - This is a pair of the calling instruction (a call or invoke)
179   // and the callgraph node being called.
180 public:
181   typedef std::pair<WeakVH, CallGraphNode*> CallRecord;
182 private:
183   std::vector<CallRecord> CalledFunctions;
184   
185   /// NumReferences - This is the number of times that this CallGraphNode occurs
186   /// in the CalledFunctions array of this or other CallGraphNodes.
187   unsigned NumReferences;
188
189   CallGraphNode(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
190   void operator=(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
191  
192   void DropRef() { --NumReferences; }
193   void AddRef() { ++NumReferences; }
194 public:
195   typedef std::vector<CallRecord> CalledFunctionsVector;
196
197   
198   // CallGraphNode ctor - Create a node for the specified function.
199   inline CallGraphNode(Function *f) : F(f), NumReferences(0) {}
200   ~CallGraphNode() {
201     assert(NumReferences == 0 && "Node deleted while references remain");
202   }
203   
204   //===---------------------------------------------------------------------
205   // Accessor methods.
206   //
207
208   typedef std::vector<CallRecord>::iterator iterator;
209   typedef std::vector<CallRecord>::const_iterator const_iterator;
210
211   // getFunction - Return the function that this call graph node represents.
212   Function *getFunction() const { return F; }
213
214   inline iterator begin() { return CalledFunctions.begin(); }
215   inline iterator end()   { return CalledFunctions.end();   }
216   inline const_iterator begin() const { return CalledFunctions.begin(); }
217   inline const_iterator end()   const { return CalledFunctions.end();   }
218   inline bool empty() const { return CalledFunctions.empty(); }
219   inline unsigned size() const { return (unsigned)CalledFunctions.size(); }
220
221   /// getNumReferences - Return the number of other CallGraphNodes in this
222   /// CallGraph that reference this node in their callee list.
223   unsigned getNumReferences() const { return NumReferences; }
224   
225   // Subscripting operator - Return the i'th called function.
226   //
227   CallGraphNode *operator[](unsigned i) const {
228     assert(i < CalledFunctions.size() && "Invalid index");
229     return CalledFunctions[i].second;
230   }
231
232   /// dump - Print out this call graph node.
233   ///
234   void dump() const;
235   void print(raw_ostream &OS) const;
236
237   //===---------------------------------------------------------------------
238   // Methods to keep a call graph up to date with a function that has been
239   // modified
240   //
241
242   /// removeAllCalledFunctions - As the name implies, this removes all edges
243   /// from this CallGraphNode to any functions it calls.
244   void removeAllCalledFunctions() {
245     while (!CalledFunctions.empty()) {
246       CalledFunctions.back().second->DropRef();
247       CalledFunctions.pop_back();
248     }
249   }
250   
251   /// stealCalledFunctionsFrom - Move all the callee information from N to this
252   /// node.
253   void stealCalledFunctionsFrom(CallGraphNode *N) {
254     assert(CalledFunctions.empty() &&
255            "Cannot steal callsite information if I already have some");
256     std::swap(CalledFunctions, N->CalledFunctions);
257   }
258   
259
260   /// addCalledFunction - Add a function to the list of functions called by this
261   /// one.
262   void addCalledFunction(CallSite CS, CallGraphNode *M) {
263     assert(!CS.getInstruction() ||
264            !CS.getCalledFunction() ||
265            !CS.getCalledFunction()->isIntrinsic());
266     CalledFunctions.push_back(std::make_pair(CS.getInstruction(), M));
267     M->AddRef();
268   }
269
270   void removeCallEdge(iterator I) {
271     I->second->DropRef();
272     *I = CalledFunctions.back();
273     CalledFunctions.pop_back();
274   }
275   
276   
277   /// removeCallEdgeFor - This method removes the edge in the node for the
278   /// specified call site.  Note that this method takes linear time, so it
279   /// should be used sparingly.
280   void removeCallEdgeFor(CallSite CS);
281
282   /// removeAnyCallEdgeTo - This method removes all call edges from this node
283   /// to the specified callee function.  This takes more time to execute than
284   /// removeCallEdgeTo, so it should not be used unless necessary.
285   void removeAnyCallEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
286
287   /// removeOneAbstractEdgeTo - Remove one edge associated with a null callsite
288   /// from this node to the specified callee function.
289   void removeOneAbstractEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
290   
291   /// replaceCallEdge - This method replaces the edge in the node for the
292   /// specified call site with a new one.  Note that this method takes linear
293   /// time, so it should be used sparingly.
294   void replaceCallEdge(CallSite CS, CallSite NewCS, CallGraphNode *NewNode);
295   
296   /// allReferencesDropped - This is a special function that should only be
297   /// used by the CallGraph class.
298   void allReferencesDropped() {
299     NumReferences = 0;
300   }
301 };
302
303 //===----------------------------------------------------------------------===//
304 // GraphTraits specializations for call graphs so that they can be treated as
305 // graphs by the generic graph algorithms.
306 //
307
308 // Provide graph traits for tranversing call graphs using standard graph
309 // traversals.
310 template <> struct GraphTraits<CallGraphNode*> {
311   typedef CallGraphNode NodeType;
312
313   typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
314   typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, CallGraphNode*> CGNDerefFun;
315
316   static NodeType *getEntryNode(CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
317
318   typedef mapped_iterator<NodeType::iterator, CGNDerefFun> ChildIteratorType;
319
320   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
321     return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
322   }
323   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) {
324     return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
325   }
326
327   static CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) {
328     return P.second;
329   }
330
331 };
332
333 template <> struct GraphTraits<const CallGraphNode*> {
334   typedef const CallGraphNode NodeType;
335   typedef NodeType::const_iterator ChildIteratorType;
336
337   static NodeType *getEntryNode(const CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
338   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin();}
339   static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) { return N->end(); }
340 };
341
342 template<> struct GraphTraits<CallGraph*> : public GraphTraits<CallGraphNode*> {
343   static NodeType *getEntryNode(CallGraph *CGN) {
344     return CGN->getExternalCallingNode();  // Start at the external node!
345   }
346   typedef std::pair<const Function*, CallGraphNode*> PairTy;
347   typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, CallGraphNode&> DerefFun;
348
349   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
350   typedef mapped_iterator<CallGraph::iterator, DerefFun> nodes_iterator;
351   static nodes_iterator nodes_begin(CallGraph *CG) {
352     return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
353   }
354   static nodes_iterator nodes_end  (CallGraph *CG) {
355     return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
356   }
357
358   static CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) {
359     return *P.second;
360   }
361 };
362
363 template<> struct GraphTraits<const CallGraph*> :
364   public GraphTraits<const CallGraphNode*> {
365   static NodeType *getEntryNode(const CallGraph *CGN) {
366     return CGN->getExternalCallingNode();
367   }
368   // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
369   typedef CallGraph::const_iterator nodes_iterator;
370   static nodes_iterator nodes_begin(const CallGraph *CG) { return CG->begin(); }
371   static nodes_iterator nodes_end  (const CallGraph *CG) { return CG->end(); }
372 };
373
374 } // End llvm namespace
375
376 // Make sure that any clients of this file link in CallGraph.cpp
377 FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(CallGraph)
378
379 #endif