include/llvm/ExecutionEngine/Orc/CompileOnDemandLayer.h

   1 //===- CompileOnDemandLayer.h - Compile each function on demand -*- 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 // JIT layer for breaking up modules and inserting callbacks to allow
  11 // individual functions to be compiled on demand.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #ifndef LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_COMPILEONDEMANDLAYER_H
  16 #define LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_COMPILEONDEMANDLAYER_H
  17
  18 #include "IndirectionUtils.h"
  19 #include "LambdaResolver.h"
  20 #include "LogicalDylib.h"
  21 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  22 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  23 #include <list>
  24 #include <memory>
  25 #include <set>
  26
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28
  29 namespace llvm {
  30 namespace orc {
  31
  32 /// @brief Compile-on-demand layer.
  33 ///
  34 ///   When a module is added to this layer a stub is created for each of its
  35 /// function definitions. The stubs and other global values are immediately
  36 /// added to the layer below. When a stub is called it triggers the extraction
  37 /// of the function body from the original module. The extracted body is then
  38 /// compiled and executed.
  39 template <typename BaseLayerT,
  40           typename CompileCallbackMgrT = JITCompileCallbackManager,
  41           typename IndirectStubsMgrT = IndirectStubsManager>
  42 class CompileOnDemandLayer {
  43 private:
  44
  45   template <typename MaterializerFtor>
  46   class LambdaMaterializer final : public ValueMaterializer {
  47   public:
  48     LambdaMaterializer(MaterializerFtor M) : M(std::move(M)) {}
  49     Value *materializeDeclFor(Value *V) final { return M(V); }
  50
  51   private:
  52     MaterializerFtor M;
  53   };
  54
  55   template <typename MaterializerFtor>
  56   LambdaMaterializer<MaterializerFtor>
  57   createLambdaMaterializer(MaterializerFtor M) {
  58     return LambdaMaterializer<MaterializerFtor>(std::move(M));
  59   }
  60
  61   typedef typename BaseLayerT::ModuleSetHandleT BaseLayerModuleSetHandleT;
  62
  63   // Provide type-erasure for the Modules and MemoryManagers.
  64   template <typename ResourceT>
  65   class ResourceOwner {
  66   public:
  67     ResourceOwner() = default;
  68     ResourceOwner(const ResourceOwner&) = delete;
  69     ResourceOwner& operator=(const ResourceOwner&) = delete;
  70     virtual ~ResourceOwner() { }
  71     virtual ResourceT& getResource() const = 0;
  72   };
  73
  74   template <typename ResourceT, typename ResourcePtrT>
  75   class ResourceOwnerImpl : public ResourceOwner<ResourceT> {
  76   public:
  77     ResourceOwnerImpl(ResourcePtrT ResourcePtr)
  78       : ResourcePtr(std::move(ResourcePtr)) {}
  79     ResourceT& getResource() const override { return *ResourcePtr; }
  80   private:
  81     ResourcePtrT ResourcePtr;
  82   };
  83
  84   template <typename ResourceT, typename ResourcePtrT>
  85   std::unique_ptr<ResourceOwner<ResourceT>>
  86   wrapOwnership(ResourcePtrT ResourcePtr) {
  87     typedef ResourceOwnerImpl<ResourceT, ResourcePtrT> RO;
  88     return llvm::make_unique<RO>(std::move(ResourcePtr));
  89   }
  90
  91   struct LogicalModuleResources {
  92     std::unique_ptr<ResourceOwner<Module>> SourceModule;
  93     std::set<const Function*> StubsToClone;
  94     std::unique_ptr<IndirectStubsMgrT> StubsMgr;
  95
  96     LogicalModuleResources() = default;
  97
  98     // Explicit move constructor to make MSVC happy.
  99     LogicalModuleResources(LogicalModuleResources &&Other)
 100         : SourceModule(std::move(Other.SourceModule)),
 101           StubsToClone(std::move(Other.StubsToClone)),
 102           StubsMgr(std::move(Other.StubsMgr)) {}
 103
 104     // Explicit move assignment to make MSVC happy.
 105     LogicalModuleResources& operator=(LogicalModuleResources &&Other) {
 106       SourceModule = std::move(Other.SourceModule);
 107       StubsToClone = std::move(Other.StubsToClone);
 108       StubsMgr = std::move(Other.StubsMgr);
 109       return *this;
 110     }
 111
 112     JITSymbol findSymbol(StringRef Name, bool ExportedSymbolsOnly) {
 113       if (Name.endswith("$stub_ptr") && !ExportedSymbolsOnly) {
 114         assert(!ExportedSymbolsOnly && "Stubs are never exported");
 115         return StubsMgr->findPointer(Name.drop_back(9));
 116       }
 117       return StubsMgr->findStub(Name, ExportedSymbolsOnly);
 118     }
 119
 120   };
 121
 122   struct LogicalDylibResources {
 123     typedef std::function<RuntimeDyld::SymbolInfo(const std::string&)>
 124       SymbolResolverFtor;
 125
 126     typedef std::function<typename BaseLayerT::ModuleSetHandleT(
 127                             BaseLayerT&,
 128                             std::unique_ptr<Module>,
 129                             std::unique_ptr<RuntimeDyld::SymbolResolver>)>
 130       ModuleAdderFtor;
 131
 132     LogicalDylibResources() = default;
 133
 134     // Explicit move constructor to make MSVC happy.
 135     LogicalDylibResources(LogicalDylibResources &&Other)
 136       : ExternalSymbolResolver(std::move(Other.ExternalSymbolResolver)),
 137         MemMgr(std::move(Other.MemMgr)),
 138         ModuleAdder(std::move(Other.ModuleAdder)) {}
 139
 140     // Explicit move assignment operator to make MSVC happy.
 141     LogicalDylibResources& operator=(LogicalDylibResources &&Other) {
 142       ExternalSymbolResolver = std::move(Other.ExternalSymbolResolver);
 143       MemMgr = std::move(Other.MemMgr);
 144       ModuleAdder = std::move(Other.ModuleAdder);
 145       return *this;
 146     }
 147
 148     SymbolResolverFtor ExternalSymbolResolver;
 149     std::unique_ptr<ResourceOwner<RuntimeDyld::MemoryManager>> MemMgr;
 150     ModuleAdderFtor ModuleAdder;
 151   };
 152
 153   typedef LogicalDylib<BaseLayerT, LogicalModuleResources,
 154                        LogicalDylibResources> CODLogicalDylib;
 155
 156   typedef typename CODLogicalDylib::LogicalModuleHandle LogicalModuleHandle;
 157   typedef std::list<CODLogicalDylib> LogicalDylibList;
 158
 159 public:
 160
 161   /// @brief Handle to a set of loaded modules.
 162   typedef typename LogicalDylibList::iterator ModuleSetHandleT;
 163
 164   /// @brief Module partitioning functor.
 165   typedef std::function<std::set<Function*>(Function&)> PartitioningFtor;
 166
 167   /// @brief Builder for IndirectStubsManagers.
 168   typedef std::function<std::unique_ptr<IndirectStubsMgrT>()>
 169     IndirectStubsManagerBuilderT;
 170
 171   /// @brief Construct a compile-on-demand layer instance.
 172   CompileOnDemandLayer(BaseLayerT &BaseLayer, PartitioningFtor Partition,
 173                        CompileCallbackMgrT &CallbackMgr,
 174                        IndirectStubsManagerBuilderT CreateIndirectStubsManager,
 175                        bool CloneStubsIntoPartitions = true)
 176       : BaseLayer(BaseLayer),  Partition(Partition),
 177         CompileCallbackMgr(CallbackMgr),
 178         CreateIndirectStubsManager(std::move(CreateIndirectStubsManager)),
 179         CloneStubsIntoPartitions(CloneStubsIntoPartitions) {}
 180
 181   /// @brief Add a module to the compile-on-demand layer.
 182   template <typename ModuleSetT, typename MemoryManagerPtrT,
 183             typename SymbolResolverPtrT>
 184   ModuleSetHandleT addModuleSet(ModuleSetT Ms,
 185                                 MemoryManagerPtrT MemMgr,
 186                                 SymbolResolverPtrT Resolver) {
 187
 188     LogicalDylibs.push_back(CODLogicalDylib(BaseLayer));
 189     auto &LDResources = LogicalDylibs.back().getDylibResources();
 190
 191     LDResources.ExternalSymbolResolver =
 192       [Resolver](const std::string &Name) {
 193         return Resolver->findSymbol(Name);
 194       };
 195
 196     auto &MemMgrRef = *MemMgr;
 197     LDResources.MemMgr =
 198       wrapOwnership<RuntimeDyld::MemoryManager>(std::move(MemMgr));
 199
 200     LDResources.ModuleAdder =
 201       [&MemMgrRef](BaseLayerT &B, std::unique_ptr<Module> M,
 202                    std::unique_ptr<RuntimeDyld::SymbolResolver> R) {
 203         std::vector<std::unique_ptr<Module>> Ms;
 204         Ms.push_back(std::move(M));
 205         return B.addModuleSet(std::move(Ms), &MemMgrRef, std::move(R));
 206       };
 207
 208     // Process each of the modules in this module set.
 209     for (auto &M : Ms)
 210       addLogicalModule(LogicalDylibs.back(), std::move(M));
 211
 212     return std::prev(LogicalDylibs.end());
 213   }
 214
 215   /// @brief Remove the module represented by the given handle.
 216   ///
 217   ///   This will remove all modules in the layers below that were derived from
 218   /// the module represented by H.
 219   void removeModuleSet(ModuleSetHandleT H) {
 220     LogicalDylibs.erase(H);
 221   }
 222
 223   /// @brief Search for the given named symbol.
 224   /// @param Name The name of the symbol to search for.
 225   /// @param ExportedSymbolsOnly If true, search only for exported symbols.
 226   /// @return A handle for the given named symbol, if it exists.
 227   JITSymbol findSymbol(StringRef Name, bool ExportedSymbolsOnly) {
 228     for (auto LDI = LogicalDylibs.begin(), LDE = LogicalDylibs.end();
 229          LDI != LDE; ++LDI)
 230       if (auto Symbol = findSymbolIn(LDI, Name, ExportedSymbolsOnly))
 231         return Symbol;
 232     return BaseLayer.findSymbol(Name, ExportedSymbolsOnly);
 233   }
 234
 235   /// @brief Get the address of a symbol provided by this layer, or some layer
 236   ///        below this one.
 237   JITSymbol findSymbolIn(ModuleSetHandleT H, const std::string &Name,
 238                          bool ExportedSymbolsOnly) {
 239     return H->findSymbol(Name, ExportedSymbolsOnly);
 240   }
 241
 242 private:
 243
 244   template <typename ModulePtrT>
 245   void addLogicalModule(CODLogicalDylib &LD, ModulePtrT SrcMPtr) {
 246
 247     // Bump the linkage and rename any anonymous/privote members in SrcM to
 248     // ensure that everything will resolve properly after we partition SrcM.
 249     makeAllSymbolsExternallyAccessible(*SrcMPtr);
 250
 251     // Create a logical module handle for SrcM within the logical dylib.
 252     auto LMH = LD.createLogicalModule();
 253     auto &LMResources =  LD.getLogicalModuleResources(LMH);
 254
 255     LMResources.SourceModule = wrapOwnership<Module>(std::move(SrcMPtr));
 256
 257     Module &SrcM = LMResources.SourceModule->getResource();
 258
 259     // Create the GlobalValues module.
 260     const DataLayout &DL = SrcM.getDataLayout();
 261     auto GVsM = llvm::make_unique<Module>((SrcM.getName() + ".globals").str(),
 262                                           SrcM.getContext());
 263     GVsM->setDataLayout(DL);
 264
 265     // Create function stubs.
 266     ValueToValueMapTy VMap;
 267     {
 268       typename IndirectStubsMgrT::StubInitsMap StubInits;
 269       for (auto &F : SrcM) {
 270         // Skip declarations.
 271         if (F.isDeclaration())
 272           continue;
 273
 274         // Record all functions defined by this module.
 275         if (CloneStubsIntoPartitions)
 276           LMResources.StubsToClone.insert(&F);
 277
 278         // Create a callback, associate it with the stub for the function,
 279         // and set the compile action to compile the partition containing the
 280         // function.
 281         auto CCInfo = CompileCallbackMgr.getCompileCallback();
 282         StubInits[mangle(F.getName(), DL)] =
 283           std::make_pair(CCInfo.getAddress(),
 284                          JITSymbolBase::flagsFromGlobalValue(F));
 285         CCInfo.setCompileAction([this, &LD, LMH, &F]() {
 286           return this->extractAndCompile(LD, LMH, F);
 287         });
 288       }
 289
 290       LMResources.StubsMgr = CreateIndirectStubsManager();
 291       auto EC = LMResources.StubsMgr->createStubs(StubInits);
 292       (void)EC;
 293       // FIXME: This should be propagated back to the user. Stub creation may
 294       //        fail for remote JITs.
 295       assert(!EC && "Error generating stubs");
 296     }
 297
 298     // Clone global variable decls.
 299     for (auto &GV : SrcM.globals())
 300       if (!GV.isDeclaration() && !VMap.count(&GV))
 301         cloneGlobalVariableDecl(*GVsM, GV, &VMap);
 302
 303     // And the aliases.
 304     for (auto &A : SrcM.aliases())
 305       if (!VMap.count(&A))
 306         cloneGlobalAliasDecl(*GVsM, A, VMap);
 307
 308     // Now we need to clone the GV and alias initializers.
 309
 310     // Initializers may refer to functions declared (but not defined) in this
 311     // module. Build a materializer to clone decls on demand.
 312     auto Materializer = createLambdaMaterializer(
 313       [this, &GVsM, &LMResources](Value *V) -> Value* {
 314         if (auto *F = dyn_cast<Function>(V)) {
 315           // Decls in the original module just get cloned.
 316           if (F->isDeclaration())
 317             return cloneFunctionDecl(*GVsM, *F);
 318
 319           // Definitions in the original module (which we have emitted stubs
 320           // for at this point) get turned into a constant alias to the stub
 321           // instead.
 322           const DataLayout &DL = GVsM->getDataLayout();
 323           std::string FName = mangle(F->getName(), DL);
 324           auto StubSym = LMResources.StubsMgr->findStub(FName, false);
 325           unsigned PtrBitWidth = DL.getPointerTypeSizeInBits(F->getType());
 326           ConstantInt *StubAddr =
 327             ConstantInt::get(GVsM->getContext(),
 328                              APInt(PtrBitWidth, StubSym.getAddress()));
 329           Constant *Init = ConstantExpr::getCast(Instruction::IntToPtr,
 330                                                  StubAddr, F->getType());
 331           return GlobalAlias::create(F->getFunctionType(),
 332                                      F->getType()->getAddressSpace(),
 333                                      F->getLinkage(), F->getName(),
 334                                      Init, GVsM.get());
 335         }
 336         // else....
 337         return nullptr;
 338       });
 339
 340     // Clone the global variable initializers.
 341     for (auto &GV : SrcM.globals())
 342       if (!GV.isDeclaration())
 343         moveGlobalVariableInitializer(GV, VMap, &Materializer);
 344
 345     // Clone the global alias initializers.
 346     for (auto &A : SrcM.aliases()) {
 347       auto *NewA = cast<GlobalAlias>(VMap[&A]);
 348       assert(NewA && "Alias not cloned?");
 349       Value *Init = MapValue(A.getAliasee(), VMap, RF_None, nullptr,
 350                              &Materializer);
 351       NewA->setAliasee(cast<Constant>(Init));
 352     }
 353
 354     // Build a resolver for the globals module and add it to the base layer.
 355     auto GVsResolver = createLambdaResolver(
 356         [&LD, LMH](const std::string &Name) {
 357           auto &LMResources = LD.getLogicalModuleResources(LMH);
 358           if (auto Sym = LMResources.StubsMgr->findStub(Name, false))
 359             return RuntimeDyld::SymbolInfo(Sym.getAddress(), Sym.getFlags());
 360           return LD.getDylibResources().ExternalSymbolResolver(Name);
 361         },
 362         [](const std::string &Name) {
 363           return RuntimeDyld::SymbolInfo(nullptr);
 364         });
 365
 366     auto GVsH =
 367       LD.getDylibResources().ModuleAdder(BaseLayer, std::move(GVsM),
 368                                          std::move(GVsResolver));
 369     LD.addToLogicalModule(LMH, GVsH);
 370   }
 371
 372   static std::string mangle(StringRef Name, const DataLayout &DL) {
 373     std::string MangledName;
 374     {
 375       raw_string_ostream MangledNameStream(MangledName);
 376       Mangler::getNameWithPrefix(MangledNameStream, Name, DL);
 377     }
 378     return MangledName;
 379   }
 380
 381   TargetAddress extractAndCompile(CODLogicalDylib &LD,
 382                                   LogicalModuleHandle LMH,
 383                                   Function &F) {
 384     auto &LMResources = LD.getLogicalModuleResources(LMH);
 385     Module &SrcM = LMResources.SourceModule->getResource();
 386
 387     // If F is a declaration we must already have compiled it.
 388     if (F.isDeclaration())
 389       return 0;
 390
 391     // Grab the name of the function being called here.
 392     std::string CalledFnName = mangle(F.getName(), SrcM.getDataLayout());
 393
 394     auto Part = Partition(F);
 395     auto PartH = emitPartition(LD, LMH, Part);
 396
 397     TargetAddress CalledAddr = 0;
 398     for (auto *SubF : Part) {
 399       std::string FnName = mangle(SubF->getName(), SrcM.getDataLayout());
 400       auto FnBodySym = BaseLayer.findSymbolIn(PartH, FnName, false);
 401       assert(FnBodySym && "Couldn't find function body.");
 402
 403       TargetAddress FnBodyAddr = FnBodySym.getAddress();
 404
 405       // If this is the function we're calling record the address so we can
 406       // return it from this function.
 407       if (SubF == &F)
 408         CalledAddr = FnBodyAddr;
 409
 410       // Update the function body pointer for the stub.
 411       if (auto EC = LMResources.StubsMgr->updatePointer(FnName, FnBodyAddr))
 412         return 0;
 413     }
 414
 415     return CalledAddr;
 416   }
 417
 418   template <typename PartitionT>
 419   BaseLayerModuleSetHandleT emitPartition(CODLogicalDylib &LD,
 420                                           LogicalModuleHandle LMH,
 421                                           const PartitionT &Part) {
 422     auto &LMResources = LD.getLogicalModuleResources(LMH);
 423     Module &SrcM = LMResources.SourceModule->getResource();
 424
 425     // Create the module.
 426     std::string NewName = SrcM.getName();
 427     for (auto *F : Part) {
 428       NewName += ".";
 429       NewName += F->getName();
 430     }
 431
 432     auto M = llvm::make_unique<Module>(NewName, SrcM.getContext());
 433     M->setDataLayout(SrcM.getDataLayout());
 434     ValueToValueMapTy VMap;
 435
 436     auto Materializer = createLambdaMaterializer([this, &LMResources, &M,
 437                                                   &VMap](Value *V) -> Value * {
 438       if (auto *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
 439         return cloneGlobalVariableDecl(*M, *GV);
 440
 441       if (auto *F = dyn_cast<Function>(V)) {
 442         // Check whether we want to clone an available_externally definition.
 443         if (!LMResources.StubsToClone.count(F))
 444           return cloneFunctionDecl(*M, *F);
 445
 446         // Ok - we want an inlinable stub. For that to work we need a decl
 447         // for the stub pointer.
 448         auto *StubPtr = createImplPointer(*F->getType(), *M,
 449                                           F->getName() + "$stub_ptr", nullptr);
 450         auto *ClonedF = cloneFunctionDecl(*M, *F);
 451         makeStub(*ClonedF, *StubPtr);
 452         ClonedF->setLinkage(GlobalValue::AvailableExternallyLinkage);
 453         ClonedF->addFnAttr(Attribute::AlwaysInline);
 454         return ClonedF;
 455       }
 456
 457       if (auto *A = dyn_cast<GlobalAlias>(V)) {
 458         auto *Ty = A->getValueType();
 459         if (Ty->isFunctionTy())
 460           return Function::Create(cast<FunctionType>(Ty),
 461                                   GlobalValue::ExternalLinkage, A->getName(),
 462                                   M.get());
 463
 464         return new GlobalVariable(*M, Ty, false, GlobalValue::ExternalLinkage,
 465                                   nullptr, A->getName(), nullptr,
 466                                   GlobalValue::NotThreadLocal,
 467                                   A->getType()->getAddressSpace());
 468       }
 469
 470       return nullptr;
 471     });
 472
 473     // Create decls in the new module.
 474     for (auto *F : Part)
 475       cloneFunctionDecl(*M, *F, &VMap);
 476
 477     // Move the function bodies.
 478     for (auto *F : Part)
 479       moveFunctionBody(*F, VMap, &Materializer);
 480
 481     // Create memory manager and symbol resolver.
 482     auto Resolver = createLambdaResolver(
 483         [this, &LD, LMH](const std::string &Name) {
 484           if (auto Symbol = LD.findSymbolInternally(LMH, Name))
 485             return RuntimeDyld::SymbolInfo(Symbol.getAddress(),
 486                                            Symbol.getFlags());
 487           return LD.getDylibResources().ExternalSymbolResolver(Name);
 488         },
 489         [this, &LD, LMH](const std::string &Name) {
 490           if (auto Symbol = LD.findSymbolInternally(LMH, Name))
 491             return RuntimeDyld::SymbolInfo(Symbol.getAddress(),
 492                                            Symbol.getFlags());
 493           return RuntimeDyld::SymbolInfo(nullptr);
 494         });
 495
 496     return LD.getDylibResources().ModuleAdder(BaseLayer, std::move(M),
 497                                               std::move(Resolver));
 498   }
 499
 500   BaseLayerT &BaseLayer;
 501   PartitioningFtor Partition;
 502   CompileCallbackMgrT &CompileCallbackMgr;
 503   IndirectStubsManagerBuilderT CreateIndirectStubsManager;
 504
 505   LogicalDylibList LogicalDylibs;
 506   bool CloneStubsIntoPartitions;
 507 };
 508
 509 } // End namespace orc.
 510 } // End namespace llvm.
 511
 512 #endif // LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_COMPILEONDEMANDLAYER_H