c611574eadfc426568575044278bcec7587e3635
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / DataStructure / DataStructure.h
1 //===- DataStructure.h - Build data structure graphs -------------*- C++ -*--=//
2 //
3 // Implement the LLVM data structure analysis library.
4 //
5 //===----------------------------------------------------------------------===//
6
7 #ifndef LLVM_ANALYSIS_DATA_STRUCTURE_H
8 #define LLVM_ANALYSIS_DATA_STRUCTURE_H
9
10 #include "llvm/Pass.h"
11 #include <string>
12
13 class Type;
14 class GlobalValue;
15 class DSNode;                  // Each node in the graph
16 class DSGraph;                 // A graph for a function
17 class DSNodeIterator;          // Data structure graph traversal iterator
18 class LocalDataStructures;     // A collection of local graphs for a program
19 class BUDataStructures;        // A collection of bu graphs for a program
20 class TDDataStructures;        // A collection of td graphs for a program
21
22 //===----------------------------------------------------------------------===//
23 // DSNodeHandle - Implement a "handle" to a data structure node that takes care
24 // of all of the add/un'refing of the node to prevent the backpointers in the
25 // graph from getting out of date.
26 //
27 class DSNodeHandle {
28   DSNode *N;
29 public:
30   // Allow construction, destruction, and assignment...
31   DSNodeHandle(DSNode *n = 0) : N(0) { operator=(n); }
32   DSNodeHandle(const DSNodeHandle &H) : N(0) { operator=(H.N); }
33   ~DSNodeHandle() { operator=(0); }
34   DSNodeHandle &operator=(const DSNodeHandle &H) {operator=(H.N); return *this;}
35
36   // Assignment of DSNode*, implement all of the add/un'refing (defined later)
37   inline DSNodeHandle &operator=(DSNode *n);
38
39   // Allow automatic, implicit, conversion to DSNode*
40   operator DSNode*() { return N; }
41   operator const DSNode*() const { return N; }
42   operator bool() const { return N != 0; }
43   operator bool() { return N != 0; }
44
45   bool operator<(const DSNodeHandle &H) const {  // Allow sorting
46     return N < H.N;
47   }
48   bool operator==(const DSNodeHandle &H) const { return N == H.N; }
49   bool operator!=(const DSNodeHandle &H) const { return N != H.N; }
50   bool operator==(const DSNode *Node) const { return N == Node; }
51   bool operator!=(const DSNode *Node) const { return N != Node; }
52   bool operator==(DSNode *Node) const { return N == Node; }
53   bool operator!=(DSNode *Node) const { return N != Node; }
54
55   // Avoid having comparisons to null cause errors...
56   bool operator==(int X) const {
57     assert(X == 0 && "Bad comparison!");
58     return operator==((DSNode*)0);
59   }
60   bool operator!=(int X) const { return !operator==(X); }
61
62   // Allow explicit conversion to DSNode...
63   DSNode *get() { return N; }
64   const DSNode *get() const { return N; }
65
66   // Allow this to be treated like a pointer...
67   DSNode *operator->() { return N; }
68   const DSNode *operator->() const { return N; }
69 };
70
71
72 //===----------------------------------------------------------------------===//
73 // DSNode - Data structure node class
74 //
75 // This class keeps track of a node's type, and the fields in the data
76 // structure.
77 //
78 //
79 class DSNode {
80   const Type *Ty;
81   std::vector<DSNodeHandle> Links;
82   std::vector<DSNodeHandle*> Referrers;
83
84   // Globals - The list of global values that are merged into this node.
85   std::vector<GlobalValue*> Globals;
86
87   void operator=(const DSNode &); // DO NOT IMPLEMENT
88 public:
89   enum NodeTy {
90     ShadowNode = 0 << 0,   // Nothing is known about this node...
91     ScalarNode = 1 << 0,   // Scalar of the current function contains this value
92     AllocaNode = 1 << 1,   // This node was allocated with alloca
93     NewNode    = 1 << 2,   // This node was allocated with malloc
94     GlobalNode = 1 << 3,   // This node was allocated by a global var decl
95     SubElement = 1 << 4,   // This node is a part of some other node
96     CastNode   = 1 << 5,   // This node is accessed in unsafe ways
97     Incomplete = 1 << 6,   // This node may not be complete
98   };
99
100   // NodeType - A union of the above bits.  "Shadow" nodes do not add any flags
101   // to the nodes in the data structure graph, so it is possible to have nodes
102   // with a value of 0 for their NodeType.  Scalar and Alloca markers go away
103   // when function graphs are inlined.
104   //
105   unsigned char NodeType;
106
107   DSNode(enum NodeTy NT, const Type *T);
108   DSNode(const DSNode &);
109
110   ~DSNode() {
111 #ifndef NDEBUG
112     dropAllReferences();  // Only needed to satisfy assertion checks...
113 #endif
114     assert(Referrers.empty() && "Referrers to dead node exist!");
115   }
116
117   // Iterator for graph interface...
118   typedef DSNodeIterator iterator;
119   inline iterator begin();   // Defined in DataStructureGraph.h
120   inline iterator end();
121
122   // Accessors
123   const Type *getType() const { return Ty; }
124
125   unsigned getNumLinks() const { return Links.size(); }
126   DSNode *getLink(unsigned i) {
127     assert(i < getNumLinks() && "Field links access out of range...");
128     return Links[i];
129   }
130   const DSNode *getLink(unsigned i) const {
131     assert(i < getNumLinks() && "Field links access out of range...");
132     return Links[i];
133   }
134
135   void setLink(unsigned i, DSNode *N) {
136     assert(i < getNumLinks() && "Field links access out of range...");
137     Links[i] = N;
138   }
139
140   // addGlobal - Add an entry for a global value to the Globals list.  This also
141   // marks the node with the 'G' flag if it does not already have it.
142   //
143   void addGlobal(GlobalValue *GV);
144   const std::vector<GlobalValue*> &getGlobals() const { return Globals; }
145   std::vector<GlobalValue*> &getGlobals() { return Globals; }
146
147   // addEdgeTo - Add an edge from the current node to the specified node.  This
148   // can cause merging of nodes in the graph.
149   //
150   void addEdgeTo(unsigned LinkNo, DSNode *N);
151   void addEdgeTo(DSNode *N) {
152     assert(getNumLinks() == 1 && "Must specify a field number to add edge if "
153            " more than one field exists!");
154     addEdgeTo(0, N);
155   }
156
157   // mergeWith - Merge this node into the specified node, moving all links to
158   // and from the argument node into the current node.  The specified node may
159   // be a null pointer (in which case, nothing happens).
160   //
161   void mergeWith(DSNode *N);
162
163   // addReferrer - Keep the referrer set up to date...
164   void addReferrer(DSNodeHandle *H) { Referrers.push_back(H); }
165   void removeReferrer(DSNodeHandle *H);
166   const std::vector<DSNodeHandle*> &getReferrers() const { return Referrers; }
167
168   void print(std::ostream &O, const DSGraph *G) const;
169   void dump() const;
170
171   std::string getCaption(const DSGraph *G) const;
172
173   void dropAllReferences() {
174     Links.clear();
175   }
176 };
177
178
179 inline DSNodeHandle &DSNodeHandle::operator=(DSNode *n) {
180   if (N) N->removeReferrer(this);
181   N = n;
182   if (N) N->addReferrer(this);
183   return *this;
184 }
185
186
187 // DSGraph - The graph that represents a function.
188 //
189 class DSGraph {
190   Function &Func;
191   std::vector<DSNode*> Nodes;
192   DSNodeHandle RetNode;               // Node that gets returned...
193   std::map<Value*, DSNodeHandle> ValueMap;
194
195   // FunctionCalls - This vector maintains a single entry for each call
196   // instruction in the current graph.  Each call entry contains DSNodeHandles
197   // that refer to the arguments that are passed into the function call.  The
198   // first entry in the vector is the scalar that holds the return value for the
199   // call, the second is the function scalar being invoked, and the rest are
200   // pointer arguments to the function.
201   //
202   std::vector<std::vector<DSNodeHandle> > FunctionCalls;
203
204   // OrigFunctionCalls - This vector retains a copy of the original function
205   // calls of the current graph.  This is needed to support top-down inlining
206   // after bottom-up inlining is complete, since the latter deletes call nodes.
207   // 
208   std::vector<std::vector<DSNodeHandle> > OrigFunctionCalls;
209
210   // PendingCallers - This vector records all unresolved callers of the
211   // current function, i.e., ones whose graphs have not been inlined into
212   // the current graph.  As long as there are unresolved callers, the nodes
213   // for formal arguments in the current graph cannot be eliminated, and
214   // nodes in the graph reachable from the formal argument nodes or
215   // global variable nodes must be considered incomplete. 
216   std::vector<Function*> PendingCallers;
217   
218 private:
219   // Define the interface only accessable to DataStructure
220   friend class LocalDataStructures;
221   friend class BUDataStructures;
222   friend class TDDataStructures;
223   DSGraph(Function &F);            // Compute the local DSGraph
224   DSGraph(const DSGraph &DSG);     // Copy ctor
225   ~DSGraph();
226
227   // clone all the call nodes and save the copies in OrigFunctionCalls
228   void saveOrigFunctionCalls() {
229     assert(OrigFunctionCalls.size() == 0 && "Do this only once!");
230     OrigFunctionCalls = FunctionCalls;
231   }
232   
233   // get the saved copies of the original function call nodes
234   std::vector<std::vector<DSNodeHandle> > &getOrigFunctionCalls() {
235     return OrigFunctionCalls;
236   }
237
238   void operator=(const DSGraph &); // DO NOT IMPLEMENT
239 public:
240
241   Function &getFunction() const { return Func; }
242
243   // getValueMap - Get a map that describes what the nodes the scalars in this
244   // function point to...
245   //
246   std::map<Value*, DSNodeHandle> &getValueMap() { return ValueMap; }
247   const std::map<Value*, DSNodeHandle> &getValueMap() const { return ValueMap;}
248
249   std::vector<std::vector<DSNodeHandle> > &getFunctionCalls() {
250     return FunctionCalls;
251   }
252
253   const DSNode *getRetNode() const { return RetNode; }
254
255   unsigned getGraphSize() const {
256     return Nodes.size();
257   }
258
259   void print(std::ostream &O) const;
260   void dump() const;
261
262   // maskNodeTypes - Apply a mask to all of the node types in the graph.  This
263   // is useful for clearing out markers like Scalar or Incomplete.
264   //
265   void maskNodeTypes(unsigned char Mask);
266   void maskIncompleteMarkers() { maskNodeTypes(~DSNode::Incomplete); }
267
268   // markIncompleteNodes - Traverse the graph, identifying nodes that may be
269   // modified by other functions that have not been resolved yet.  This marks
270   // nodes that are reachable through three sources of "unknownness":
271   //   Global Variables, Function Calls, and Incoming Arguments
272   //
273   // For any node that may have unknown components (because something outside
274   // the scope of current analysis may have modified it), the 'Incomplete' flag
275   // is added to the NodeType.
276   //
277   void markIncompleteNodes();
278
279   // removeTriviallyDeadNodes - After the graph has been constructed, this
280   // method removes all unreachable nodes that are created because they got
281   // merged with other nodes in the graph.
282   //
283   void removeTriviallyDeadNodes();
284
285   // removeDeadNodes - Use a more powerful reachability analysis to eliminate
286   // subgraphs that are unreachable.  This often occurs because the data
287   // structure doesn't "escape" into it's caller, and thus should be eliminated
288   // from the caller's graph entirely.  This is only appropriate to use when
289   // inlining graphs.
290   //
291   void removeDeadNodes();
292
293
294   // AddCaller - add a known caller node into the graph and mark it pending.
295   // getCallers - get a vector of the functions that call this one
296   // getCallersPending - get a matching vector of bools indicating if each
297   //                     caller's DSGraph has been resolved into this one.
298   // 
299   void addCaller(Function& caller) {
300     PendingCallers.push_back(&caller);
301   }
302   std::vector<Function*>& getPendingCallers() {
303     return PendingCallers;
304   }
305   
306   // cloneInto - Clone the specified DSGraph into the current graph, returning
307   // the Return node of the graph.  The translated ValueMap for the old function
308   // is filled into the OldValMap member.  If StripLocals is set to true, Scalar
309   // and Alloca markers are removed from the graph, as the graph is being cloned
310   // into a calling function's graph.
311   //
312   DSNode *cloneInto(const DSGraph &G, std::map<Value*, DSNodeHandle> &OldValMap,
313                     std::map<const DSNode*, DSNode*>& OldNodeMap,
314                     bool StripLocals = true);
315 private:
316   bool isNodeDead(DSNode *N);
317 };
318
319
320
321 // LocalDataStructures - The analysis that computes the local data structure
322 // graphs for all of the functions in the program.
323 //
324 // FIXME: This should be a Function pass that can be USED by a Pass, and would
325 // be automatically preserved.  Until we can do that, this is a Pass.
326 //
327 class LocalDataStructures : public Pass {
328   // DSInfo, one graph for each function
329   std::map<Function*, DSGraph*> DSInfo;
330 public:
331   static AnalysisID ID;            // DataStructure Analysis ID 
332
333   ~LocalDataStructures() { releaseMemory(); }
334
335   virtual bool run(Module &M);
336
337   // getDSGraph - Return the data structure graph for the specified function.
338   DSGraph &getDSGraph(Function &F) const {
339     std::map<Function*, DSGraph*>::const_iterator I = DSInfo.find(&F);
340     assert(I != DSInfo.end() && "Function not in module!");
341     return *I->second;
342   }
343
344   // print - Print out the analysis results...
345   void print(std::ostream &O, Module *M) const;
346
347   // If the pass pipeline is done with this pass, we can release our memory...
348   virtual void releaseMemory();
349
350   // getAnalysisUsage - This obviously provides a data structure graph.
351   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
352     AU.setPreservesAll();
353     AU.addProvided(ID);
354   }
355 };
356
357
358 // BUDataStructures - The analysis that computes the interprocedurally closed
359 // data structure graphs for all of the functions in the program.  This pass
360 // only performs a "Bottom Up" propogation (hence the name).
361 //
362 class BUDataStructures : public Pass {
363   // DSInfo, one graph for each function
364   std::map<Function*, DSGraph*> DSInfo;
365 public:
366   static AnalysisID ID;            // BUDataStructure Analysis ID 
367
368   ~BUDataStructures() { releaseMemory(); }
369
370   virtual bool run(Module &M);
371
372   // getDSGraph - Return the data structure graph for the specified function.
373   DSGraph &getDSGraph(Function &F) const {
374     std::map<Function*, DSGraph*>::const_iterator I = DSInfo.find(&F);
375     assert(I != DSInfo.end() && "Function not in module!");
376     return *I->second;
377   }
378   
379   // print - Print out the analysis results...
380   void print(std::ostream &O, Module *M) const;
381
382   // If the pass pipeline is done with this pass, we can release our memory...
383   virtual void releaseMemory();
384
385   // getAnalysisUsage - This obviously provides a data structure graph.
386   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
387     AU.setPreservesAll();
388     AU.addProvided(ID);
389     AU.addRequired(LocalDataStructures::ID);
390   }
391 private:
392   DSGraph &calculateGraph(Function &F);
393 };
394
395
396 // TDDataStructures - Analysis that computes new data structure graphs
397 // for each function using the closed graphs for the callers computed
398 // by the bottom-up pass.
399 //
400 class TDDataStructures : public Pass {
401   // DSInfo, one graph for each function
402   std::map<Function*, DSGraph*> DSInfo;
403 public:
404   static AnalysisID ID;            // TDDataStructure Analysis ID 
405
406   ~TDDataStructures() { releaseMemory(); }
407
408   virtual const char *getPassName() const {
409     return "Top-down Data Structure Analysis Closure";
410   }
411
412   virtual bool run(Module &M);
413
414   // getDSGraph - Return the data structure graph for the specified function.
415   DSGraph &getDSGraph(Function &F) const {
416     std::map<Function*, DSGraph*>::const_iterator I = DSInfo.find(&F);
417     assert(I != DSInfo.end() && "Function not in module!");
418     return *I->second;
419   }
420
421   // print - Print out the analysis results...
422   void print(std::ostream &O, Module *M) const;
423
424   // If the pass pipeline is done with this pass, we can release our memory...
425   virtual void releaseMemory();
426
427   // getAnalysisUsage - This obviously provides a data structure graph.
428   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
429     AU.setPreservesAll();
430     AU.addProvided(ID);
431     AU.addRequired(BUDataStructures::ID);
432   }
433 private:
434   DSGraph &calculateGraph(Function &F);
435   void pushGraphIntoCallee(DSGraph &callerGraph, DSGraph &calleeGraph,
436                            std::map<Value*, DSNodeHandle> &OldValMap,
437                            std::map<const DSNode*, DSNode*> &OldNodeMap);
438 };
439 #endif