24607b293fbae66d2d7216d1a13baf1089a13dc7
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / LazyCallGraph.h
1 //===- LazyCallGraph.h - Analysis of 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 /// Implements a lazy call graph analysis and related passes for the new pass
12 /// manager.
13 ///
14 /// NB: This is *not* a traditional call graph! It is a graph which models both
15 /// the current calls and potential calls. As a consequence there are many
16 /// edges in this call graph that do not correspond to a 'call' or 'invoke'
17 /// instruction.
18 ///
19 /// The primary use cases of this graph analysis is to facilitate iterating
20 /// across the functions of a module in ways that ensure all callees are
21 /// visited prior to a caller (given any SCC constraints), or vice versa. As
22 /// such is it particularly well suited to organizing CGSCC optimizations such
23 /// as inlining, outlining, argument promotion, etc. That is its primary use
24 /// case and motivates the design. It may not be appropriate for other
25 /// purposes. The use graph of functions or some other conservative analysis of
26 /// call instructions may be interesting for optimizations and subsequent
27 /// analyses which don't work in the context of an overly specified
28 /// potential-call-edge graph.
29 ///
30 /// To understand the specific rules and nature of this call graph analysis,
31 /// see the documentation of the \c LazyCallGraph below.
32 ///
33 //===----------------------------------------------------------------------===//
34
35 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
36 #define LLVM_ANALYSIS_LAZY_CALL_GRAPH
37
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PointerUnion.h"
40 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
44 #include "llvm/ADT/iterator.h"
45 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
46 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
47 #include "llvm/IR/Function.h"
48 #include "llvm/IR/Module.h"
49 #include "llvm/Support/Allocator.h"
50 #include <iterator>
51
52 namespace llvm {
53 class ModuleAnalysisManager;
54 class PreservedAnalyses;
55 class raw_ostream;
56
57 /// \brief A lazily constructed view of the call graph of a module.
58 ///
59 /// With the edges of this graph, the motivating constraint that we are
60 /// attempting to maintain is that function-local optimization, CGSCC-local
61 /// optimizations, and optimizations transforming a pair of functions connected
62 /// by an edge in the graph, do not invalidate a bottom-up traversal of the SCC
63 /// DAG. That is, no optimizations will delete, remove, or add an edge such
64 /// that functions already visited in a bottom-up order of the SCC DAG are no
65 /// longer valid to have visited, or such that functions not yet visited in
66 /// a bottom-up order of the SCC DAG are not required to have already been
67 /// visited.
68 ///
69 /// Within this constraint, the desire is to minimize the merge points of the
70 /// SCC DAG. The greater the fanout of the SCC DAG and the fewer merge points
71 /// in the SCC DAG, the more independence there is in optimizing within it.
72 /// There is a strong desire to enable parallelization of optimizations over
73 /// the call graph, and both limited fanout and merge points will (artificially
74 /// in some cases) limit the scaling of such an effort.
75 ///
76 /// To this end, graph represents both direct and any potential resolution to
77 /// an indirect call edge. Another way to think about it is that it represents
78 /// both the direct call edges and any direct call edges that might be formed
79 /// through static optimizations. Specifically, it considers taking the address
80 /// of a function to be an edge in the call graph because this might be
81 /// forwarded to become a direct call by some subsequent function-local
82 /// optimization. The result is that the graph closely follows the use-def
83 /// edges for functions. Walking "up" the graph can be done by looking at all
84 /// of the uses of a function.
85 ///
86 /// The roots of the call graph are the external functions and functions
87 /// escaped into global variables. Those functions can be called from outside
88 /// of the module or via unknowable means in the IR -- we may not be able to
89 /// form even a potential call edge from a function body which may dynamically
90 /// load the function and call it.
91 ///
92 /// This analysis still requires updates to remain valid after optimizations
93 /// which could potentially change the set of potential callees. The
94 /// constraints it operates under only make the traversal order remain valid.
95 ///
96 /// The entire analysis must be re-computed if full interprocedural
97 /// optimizations run at any point. For example, globalopt completely
98 /// invalidates the information in this analysis.
99 ///
100 /// FIXME: This class is named LazyCallGraph in a lame attempt to distinguish
101 /// it from the existing CallGraph. At some point, it is expected that this
102 /// will be the only call graph and it will be renamed accordingly.
103 class LazyCallGraph {
104 public:
105   class Node;
106   class SCC;
107   typedef SmallVector<PointerUnion<Function *, Node *>, 4> NodeVectorT;
108   typedef SmallVectorImpl<PointerUnion<Function *, Node *>> NodeVectorImplT;
109
110   /// \brief A lazy iterator used for both the entry nodes and child nodes.
111   ///
112   /// When this iterator is dereferenced, if not yet available, a function will
113   /// be scanned for "calls" or uses of functions and its child information
114   /// will be constructed. All of these results are accumulated and cached in
115   /// the graph.
116   class iterator : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, Node> {
117     friend class LazyCallGraph;
118     friend class LazyCallGraph::Node;
119
120     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
121     struct IsAtEndT {};
122
123     LazyCallGraph *G;
124     NodeVectorImplT::iterator NI;
125
126     // Build the begin iterator for a node.
127     explicit iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes)
128         : G(&G), NI(Nodes.begin()) {}
129
130     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
131     iterator(LazyCallGraph &G, NodeVectorImplT &Nodes, IsAtEndT /*Nonce*/)
132         : G(&G), NI(Nodes.end()) {}
133
134   public:
135     bool operator==(const iterator &Arg) const { return NI == Arg.NI; }
136     bool operator!=(const iterator &Arg) const { return !operator==(Arg); }
137
138     reference operator*() const {
139       if (NI->is<Node *>())
140         return *NI->get<Node *>();
141
142       Function *F = NI->get<Function *>();
143       Node &ChildN = G->get(*F);
144       *NI = &ChildN;
145       return ChildN;
146     }
147     pointer operator->() const { return &operator*(); }
148
149     iterator &operator++() {
150       ++NI;
151       return *this;
152     }
153     iterator operator++(int) {
154       iterator prev = *this;
155       ++*this;
156       return prev;
157     }
158
159     iterator &operator--() {
160       --NI;
161       return *this;
162     }
163     iterator operator--(int) {
164       iterator next = *this;
165       --*this;
166       return next;
167     }
168   };
169
170   /// \brief A node in the call graph.
171   ///
172   /// This represents a single node. It's primary roles are to cache the list of
173   /// callees, de-duplicate and provide fast testing of whether a function is
174   /// a callee, and facilitate iteration of child nodes in the graph.
175   class Node {
176     friend class LazyCallGraph;
177     friend class LazyCallGraph::SCC;
178
179     LazyCallGraph *G;
180     Function &F;
181
182     // We provide for the DFS numbering and Tarjan walk lowlink numbers to be
183     // stored directly within the node.
184     int DFSNumber;
185     int LowLink;
186
187     mutable NodeVectorT Callees;
188     DenseMap<Function *, size_t> CalleeIndexMap;
189
190     /// \brief Basic constructor implements the scanning of F into Callees and
191     /// CalleeIndexMap.
192     Node(LazyCallGraph &G, Function &F);
193
194   public:
195     typedef LazyCallGraph::iterator iterator;
196
197     Function &getFunction() const {
198       return F;
199     };
200
201     iterator begin() const { return iterator(*G, Callees); }
202     iterator end() const { return iterator(*G, Callees, iterator::IsAtEndT()); }
203
204     /// Equality is defined as address equality.
205     bool operator==(const Node &N) const { return this == &N; }
206     bool operator!=(const Node &N) const { return !operator==(N); }
207   };
208
209   /// \brief An SCC of the call graph.
210   ///
211   /// This represents a Strongly Connected Component of the call graph as
212   /// a collection of call graph nodes. While the order of nodes in the SCC is
213   /// stable, it is not any particular order.
214   class SCC {
215     friend class LazyCallGraph;
216     friend class LazyCallGraph::Node;
217
218     SmallSetVector<SCC *, 1> ParentSCCs;
219     SmallVector<Node *, 1> Nodes;
220     SmallPtrSet<Function *, 1> NodeSet;
221
222     SCC() {}
223
224     void removeEdge(LazyCallGraph &G, Function &Caller, Function &Callee,
225                     SCC &CalleeC);
226
227     SmallVector<LazyCallGraph::SCC *, 1>
228     removeInternalEdge(LazyCallGraph &G, Node &Caller, Node &Callee);
229
230   public:
231     typedef SmallVectorImpl<Node *>::const_iterator iterator;
232     typedef pointee_iterator<SmallSetVector<SCC *, 1>::const_iterator> parent_iterator;
233
234     iterator begin() const { return Nodes.begin(); }
235     iterator end() const { return Nodes.end(); }
236
237     parent_iterator parent_begin() const { return ParentSCCs.begin(); }
238     parent_iterator parent_end() const { return ParentSCCs.end(); }
239
240     iterator_range<parent_iterator> parents() const {
241       return iterator_range<parent_iterator>(parent_begin(), parent_end());
242     }
243   };
244
245   /// \brief A post-order depth-first SCC iterator over the call graph.
246   ///
247   /// This iterator triggers the Tarjan DFS-based formation of the SCC DAG for
248   /// the call graph, walking it lazily in depth-first post-order. That is, it
249   /// always visits SCCs for a callee prior to visiting the SCC for a caller
250   /// (when they are in different SCCs).
251   class postorder_scc_iterator
252       : public std::iterator<std::forward_iterator_tag, SCC> {
253     friend class LazyCallGraph;
254     friend class LazyCallGraph::Node;
255
256     /// \brief Nonce type to select the constructor for the end iterator.
257     struct IsAtEndT {};
258
259     LazyCallGraph *G;
260     SCC *C;
261
262     // Build the begin iterator for a node.
263     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G) : G(&G) {
264       C = G.getNextSCCInPostOrder();
265     }
266
267     // Build the end iterator for a node. This is selected purely by overload.
268     postorder_scc_iterator(LazyCallGraph &G, IsAtEndT /*Nonce*/)
269         : G(&G), C(nullptr) {}
270
271   public:
272     bool operator==(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
273       return G == Arg.G && C == Arg.C;
274     }
275     bool operator!=(const postorder_scc_iterator &Arg) const {
276       return !operator==(Arg);
277     }
278
279     reference operator*() const { return *C; }
280     pointer operator->() const { return &operator*(); }
281
282     postorder_scc_iterator &operator++() {
283       C = G->getNextSCCInPostOrder();
284       return *this;
285     }
286     postorder_scc_iterator operator++(int) {
287       postorder_scc_iterator prev = *this;
288       ++*this;
289       return prev;
290     }
291   };
292
293   /// \brief Construct a graph for the given module.
294   ///
295   /// This sets up the graph and computes all of the entry points of the graph.
296   /// No function definitions are scanned until their nodes in the graph are
297   /// requested during traversal.
298   LazyCallGraph(Module &M);
299
300   LazyCallGraph(LazyCallGraph &&G);
301   LazyCallGraph &operator=(LazyCallGraph &&RHS);
302
303   iterator begin() { return iterator(*this, EntryNodes); }
304   iterator end() { return iterator(*this, EntryNodes, iterator::IsAtEndT()); }
305
306   postorder_scc_iterator postorder_scc_begin() {
307     return postorder_scc_iterator(*this);
308   }
309   postorder_scc_iterator postorder_scc_end() {
310     return postorder_scc_iterator(*this, postorder_scc_iterator::IsAtEndT());
311   }
312
313   iterator_range<postorder_scc_iterator> postorder_sccs() {
314     return iterator_range<postorder_scc_iterator>(postorder_scc_begin(),
315                                                   postorder_scc_end());
316   }
317
318   /// \brief Lookup a function in the graph which has already been scanned and
319   /// added.
320   Node *lookup(const Function &F) const { return NodeMap.lookup(&F); }
321
322   /// \brief Lookup a function's SCC in the graph.
323   ///
324   /// \returns null if the function hasn't been assigned an SCC via the SCC
325   /// iterator walk.
326   SCC *lookupSCC(Node &N) const { return SCCMap.lookup(&N); }
327
328   /// \brief Get a graph node for a given function, scanning it to populate the
329   /// graph data as necessary.
330   Node &get(Function &F) {
331     Node *&N = NodeMap[&F];
332     if (N)
333       return *N;
334
335     return insertInto(F, N);
336   }
337
338   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
339   void removeEdge(Node &Caller, Function &Callee);
340
341   /// \brief Update the call graph after deleting an edge.
342   void removeEdge(Function &Caller, Function &Callee) {
343     return removeEdge(get(Caller), Callee);
344   }
345
346 private:
347   /// \brief Allocator that holds all the call graph nodes.
348   SpecificBumpPtrAllocator<Node> BPA;
349
350   /// \brief Maps function->node for fast lookup.
351   DenseMap<const Function *, Node *> NodeMap;
352
353   /// \brief The entry nodes to the graph.
354   ///
355   /// These nodes are reachable through "external" means. Put another way, they
356   /// escape at the module scope.
357   NodeVectorT EntryNodes;
358
359   /// \brief Map of the entry nodes in the graph to their indices in
360   /// \c EntryNodes.
361   DenseMap<Function *, size_t> EntryIndexMap;
362
363   /// \brief Allocator that holds all the call graph SCCs.
364   SpecificBumpPtrAllocator<SCC> SCCBPA;
365
366   /// \brief Maps Function -> SCC for fast lookup.
367   DenseMap<Node *, SCC *> SCCMap;
368
369   /// \brief The leaf SCCs of the graph.
370   ///
371   /// These are all of the SCCs which have no children.
372   SmallVector<SCC *, 4> LeafSCCs;
373
374   /// \brief Stack of nodes not-yet-processed into SCCs.
375   SmallVector<std::pair<Node *, iterator>, 4> DFSStack;
376
377   /// \brief Set of entry nodes not-yet-processed into SCCs.
378   SmallSetVector<Function *, 4> SCCEntryNodes;
379
380   /// \brief Counter for the next DFS number to assign.
381   int NextDFSNumber;
382
383   /// \brief Helper to insert a new function, with an already looked-up entry in
384   /// the NodeMap.
385   Node &insertInto(Function &F, Node *&MappedN);
386
387   /// \brief Helper to update pointers back to the graph object during moves.
388   void updateGraphPtrs();
389
390   /// \brief Helper to form a new SCC out of the top of a DFSStack-like
391   /// structure.
392   SCC *formSCCFromDFSStack(
393       SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>> &DFSStack,
394       SmallVectorImpl<std::pair<Node *, Node::iterator>>::iterator SCCBegin);
395
396   /// \brief Retrieve the next node in the post-order SCC walk of the call graph.
397   SCC *getNextSCCInPostOrder();
398 };
399
400 // Provide GraphTraits specializations for call graphs.
401 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph::Node *> {
402   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
403   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
404
405   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
406   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
407   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
408 };
409 template <> struct GraphTraits<LazyCallGraph *> {
410   typedef LazyCallGraph::Node NodeType;
411   typedef LazyCallGraph::iterator ChildIteratorType;
412
413   static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
414   static ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin(); }
415   static ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { return N->end(); }
416 };
417
418 /// \brief An analysis pass which computes the call graph for a module.
419 class LazyCallGraphAnalysis {
420 public:
421   /// \brief Inform generic clients of the result type.
422   typedef LazyCallGraph Result;
423
424   static void *ID() { return (void *)&PassID; }
425
426   /// \brief Compute the \c LazyCallGraph for a the module \c M.
427   ///
428   /// This just builds the set of entry points to the call graph. The rest is
429   /// built lazily as it is walked.
430   LazyCallGraph run(Module *M) { return LazyCallGraph(*M); }
431
432 private:
433   static char PassID;
434 };
435
436 /// \brief A pass which prints the call graph to a \c raw_ostream.
437 ///
438 /// This is primarily useful for testing the analysis.
439 class LazyCallGraphPrinterPass {
440   raw_ostream &OS;
441
442 public:
443   explicit LazyCallGraphPrinterPass(raw_ostream &OS);
444
445   PreservedAnalyses run(Module *M, ModuleAnalysisManager *AM);
446
447   static StringRef name() { return "LazyCallGraphPrinterPass"; }
448 };
449
450 }
451
452 #endif