lib/Analysis/AliasAnalysisEvaluator.cpp

   1 //===- AliasAnalysisEvaluator.cpp - Alias Analysis Accuracy Evaluator -----===//
   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 file implements a simple N^2 alias analysis accuracy evaluator.
  11 // Basically, for each function in the program, it simply queries to see how the
  12 // alias analysis implementation answers alias queries between each pair of
  13 // pointers in the function.
  14 //
  15 // This is inspired and adapted from code by: Naveen Neelakantam, Francesco
  16 // Spadini, and Wojciech Stryjewski.
  17 //
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19
  20 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
  21 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
  22 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  23 #include "llvm/IR/Constants.h"
  24 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  25 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  26 #include "llvm/IR/Function.h"
  27 #include "llvm/IR/Module.h"
  28 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
  29 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  30 #include "llvm/Pass.h"
  31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  32 #include "llvm/Support/Debug.h"
  33 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  34 using namespace llvm;
  35
  36 static cl::opt<bool> PrintAll("print-all-alias-modref-info", cl::ReallyHidden);
  37
  38 static cl::opt<bool> PrintNoAlias("print-no-aliases", cl::ReallyHidden);
  39 static cl::opt<bool> PrintMayAlias("print-may-aliases", cl::ReallyHidden);
  40 static cl::opt<bool> PrintPartialAlias("print-partial-aliases", cl::ReallyHidden);
  41 static cl::opt<bool> PrintMustAlias("print-must-aliases", cl::ReallyHidden);
  42
  43 static cl::opt<bool> PrintNoModRef("print-no-modref", cl::ReallyHidden);
  44 static cl::opt<bool> PrintMod("print-mod", cl::ReallyHidden);
  45 static cl::opt<bool> PrintRef("print-ref", cl::ReallyHidden);
  46 static cl::opt<bool> PrintModRef("print-modref", cl::ReallyHidden);
  47
  48 static cl::opt<bool> EvalAAMD("evaluate-aa-metadata", cl::ReallyHidden);
  49
  50 namespace {
  51   class AAEval : public FunctionPass {
  52     unsigned NoAliasCount, MayAliasCount, PartialAliasCount, MustAliasCount;
  53     unsigned NoModRefCount, ModCount, RefCount, ModRefCount;
  54
  55   public:
  56     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  57     AAEval() : FunctionPass(ID) {
  58       initializeAAEvalPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  59     }
  60
  61     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
  62       AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
  63       AU.setPreservesAll();
  64     }
  65
  66     bool doInitialization(Module &M) override {
  67       NoAliasCount = MayAliasCount = PartialAliasCount = MustAliasCount = 0;
  68       NoModRefCount = ModCount = RefCount = ModRefCount = 0;
  69
  70       if (PrintAll) {
  71         PrintNoAlias = PrintMayAlias = true;
  72         PrintPartialAlias = PrintMustAlias = true;
  73         PrintNoModRef = PrintMod = PrintRef = PrintModRef = true;
  74       }
  75       return false;
  76     }
  77
  78     bool runOnFunction(Function &F) override;
  79     bool doFinalization(Module &M) override;
  80   };
  81 }
  82
  83 char AAEval::ID = 0;
  84 INITIALIZE_PASS_BEGIN(AAEval, "aa-eval",
  85                 "Exhaustive Alias Analysis Precision Evaluator", false, true)
  86 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
  87 INITIALIZE_PASS_END(AAEval, "aa-eval",
  88                 "Exhaustive Alias Analysis Precision Evaluator", false, true)
  89
  90 FunctionPass *llvm::createAAEvalPass() { return new AAEval(); }
  91
  92 static void PrintResults(const char *Msg, bool P, const Value *V1,
  93                          const Value *V2, const Module *M) {
  94   if (P) {
  95     std::string o1, o2;
  96     {
  97       raw_string_ostream os1(o1), os2(o2);
  98       V1->printAsOperand(os1, true, M);
  99       V2->printAsOperand(os2, true, M);
 100     }
 101
 102     if (o2 < o1)
 103       std::swap(o1, o2);
 104     errs() << "  " << Msg << ":\t"
 105            << o1 << ", "
 106            << o2 << "\n";
 107   }
 108 }
 109
 110 static inline void
 111 PrintModRefResults(const char *Msg, bool P, Instruction *I, Value *Ptr,
 112                    Module *M) {
 113   if (P) {
 114     errs() << "  " << Msg << ":  Ptr: ";
 115     Ptr->printAsOperand(errs(), true, M);
 116     errs() << "\t<->" << *I << '\n';
 117   }
 118 }
 119
 120 static inline void
 121 PrintModRefResults(const char *Msg, bool P, CallSite CSA, CallSite CSB,
 122                    Module *M) {
 123   if (P) {
 124     errs() << "  " << Msg << ": " << *CSA.getInstruction()
 125            << " <-> " << *CSB.getInstruction() << '\n';
 126   }
 127 }
 128
 129 static inline void
 130 PrintLoadStoreResults(const char *Msg, bool P, const Value *V1,
 131                       const Value *V2, const Module *M) {
 132   if (P) {
 133     errs() << "  " << Msg << ": " << *V1
 134            << " <-> " << *V2 << '\n';
 135   }
 136 }
 137
 138 static inline bool isInterestingPointer(Value *V) {
 139   return V->getType()->isPointerTy()
 140       && !isa<ConstantPointerNull>(V);
 141 }
 142
 143 bool AAEval::runOnFunction(Function &F) {
 144   const DataLayout &DL = F.getParent()->getDataLayout();
 145   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
 146
 147   SetVector<Value *> Pointers;
 148   SmallSetVector<CallSite, 16> CallSites;
 149   SetVector<Value *> Loads;
 150   SetVector<Value *> Stores;
 151
 152   for (auto &I : F.args())
 153     if (I.getType()->isPointerTy())    // Add all pointer arguments.
 154       Pointers.insert(&I);
 155
 156   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I) {
 157     if (I->getType()->isPointerTy()) // Add all pointer instructions.
 158       Pointers.insert(&*I);
 159     if (EvalAAMD && isa<LoadInst>(&*I))
 160       Loads.insert(&*I);
 161     if (EvalAAMD && isa<StoreInst>(&*I))
 162       Stores.insert(&*I);
 163     Instruction &Inst = *I;
 164     if (auto CS = CallSite(&Inst)) {
 165       Value *Callee = CS.getCalledValue();
 166       // Skip actual functions for direct function calls.
 167       if (!isa<Function>(Callee) && isInterestingPointer(Callee))
 168         Pointers.insert(Callee);
 169       // Consider formals.
 170       for (Use &DataOp : CS.data_ops())
 171         if (isInterestingPointer(DataOp))
 172           Pointers.insert(DataOp);
 173       CallSites.insert(CS);
 174     } else {
 175       // Consider all operands.
 176       for (Instruction::op_iterator OI = Inst.op_begin(), OE = Inst.op_end();
 177            OI != OE; ++OI)
 178         if (isInterestingPointer(*OI))
 179           Pointers.insert(*OI);
 180     }
 181   }
 182
 183   if (PrintNoAlias || PrintMayAlias || PrintPartialAlias || PrintMustAlias ||
 184       PrintNoModRef || PrintMod || PrintRef || PrintModRef)
 185     errs() << "Function: " << F.getName() << ": " << Pointers.size()
 186            << " pointers, " << CallSites.size() << " call sites\n";
 187
 188   // iterate over the worklist, and run the full (n^2)/2 disambiguations
 189   for (SetVector<Value *>::iterator I1 = Pointers.begin(), E = Pointers.end();
 190        I1 != E; ++I1) {
 191     uint64_t I1Size = MemoryLocation::UnknownSize;
 192     Type *I1ElTy = cast<PointerType>((*I1)->getType())->getElementType();
 193     if (I1ElTy->isSized()) I1Size = DL.getTypeStoreSize(I1ElTy);
 194
 195     for (SetVector<Value *>::iterator I2 = Pointers.begin(); I2 != I1; ++I2) {
 196       uint64_t I2Size = MemoryLocation::UnknownSize;
 197       Type *I2ElTy =cast<PointerType>((*I2)->getType())->getElementType();
 198       if (I2ElTy->isSized()) I2Size = DL.getTypeStoreSize(I2ElTy);
 199
 200       switch (AA.alias(*I1, I1Size, *I2, I2Size)) {
 201       case NoAlias:
 202         PrintResults("NoAlias", PrintNoAlias, *I1, *I2, F.getParent());
 203         ++NoAliasCount;
 204         break;
 205       case MayAlias:
 206         PrintResults("MayAlias", PrintMayAlias, *I1, *I2, F.getParent());
 207         ++MayAliasCount;
 208         break;
 209       case PartialAlias:
 210         PrintResults("PartialAlias", PrintPartialAlias, *I1, *I2,
 211                      F.getParent());
 212         ++PartialAliasCount;
 213         break;
 214       case MustAlias:
 215         PrintResults("MustAlias", PrintMustAlias, *I1, *I2, F.getParent());
 216         ++MustAliasCount;
 217         break;
 218       }
 219     }
 220   }
 221
 222   if (EvalAAMD) {
 223     // iterate over all pairs of load, store
 224     for (SetVector<Value *>::iterator I1 = Loads.begin(), E = Loads.end();
 225          I1 != E; ++I1) {
 226       for (SetVector<Value *>::iterator I2 = Stores.begin(), E2 = Stores.end();
 227            I2 != E2; ++I2) {
 228         switch (AA.alias(MemoryLocation::get(cast<LoadInst>(*I1)),
 229                          MemoryLocation::get(cast<StoreInst>(*I2)))) {
 230         case NoAlias:
 231           PrintLoadStoreResults("NoAlias", PrintNoAlias, *I1, *I2,
 232                                 F.getParent());
 233           ++NoAliasCount;
 234           break;
 235         case MayAlias:
 236           PrintLoadStoreResults("MayAlias", PrintMayAlias, *I1, *I2,
 237                                 F.getParent());
 238           ++MayAliasCount;
 239           break;
 240         case PartialAlias:
 241           PrintLoadStoreResults("PartialAlias", PrintPartialAlias, *I1, *I2,
 242                                 F.getParent());
 243           ++PartialAliasCount;
 244           break;
 245         case MustAlias:
 246           PrintLoadStoreResults("MustAlias", PrintMustAlias, *I1, *I2,
 247                                 F.getParent());
 248           ++MustAliasCount;
 249           break;
 250         }
 251       }
 252     }
 253
 254     // iterate over all pairs of store, store
 255     for (SetVector<Value *>::iterator I1 = Stores.begin(), E = Stores.end();
 256          I1 != E; ++I1) {
 257       for (SetVector<Value *>::iterator I2 = Stores.begin(); I2 != I1; ++I2) {
 258         switch (AA.alias(MemoryLocation::get(cast<StoreInst>(*I1)),
 259                          MemoryLocation::get(cast<StoreInst>(*I2)))) {
 260         case NoAlias:
 261           PrintLoadStoreResults("NoAlias", PrintNoAlias, *I1, *I2,
 262                                 F.getParent());
 263           ++NoAliasCount;
 264           break;
 265         case MayAlias:
 266           PrintLoadStoreResults("MayAlias", PrintMayAlias, *I1, *I2,
 267                                 F.getParent());
 268           ++MayAliasCount;
 269           break;
 270         case PartialAlias:
 271           PrintLoadStoreResults("PartialAlias", PrintPartialAlias, *I1, *I2,
 272                                 F.getParent());
 273           ++PartialAliasCount;
 274           break;
 275         case MustAlias:
 276           PrintLoadStoreResults("MustAlias", PrintMustAlias, *I1, *I2,
 277                                 F.getParent());
 278           ++MustAliasCount;
 279           break;
 280         }
 281       }
 282     }
 283   }
 284
 285   // Mod/ref alias analysis: compare all pairs of calls and values
 286   for (auto C = CallSites.begin(), Ce = CallSites.end(); C != Ce; ++C) {
 287     Instruction *I = C->getInstruction();
 288
 289     for (SetVector<Value *>::iterator V = Pointers.begin(), Ve = Pointers.end();
 290          V != Ve; ++V) {
 291       uint64_t Size = MemoryLocation::UnknownSize;
 292       Type *ElTy = cast<PointerType>((*V)->getType())->getElementType();
 293       if (ElTy->isSized()) Size = DL.getTypeStoreSize(ElTy);
 294
 295       switch (AA.getModRefInfo(*C, *V, Size)) {
 296       case MRI_NoModRef:
 297         PrintModRefResults("NoModRef", PrintNoModRef, I, *V, F.getParent());
 298         ++NoModRefCount;
 299         break;
 300       case MRI_Mod:
 301         PrintModRefResults("Just Mod", PrintMod, I, *V, F.getParent());
 302         ++ModCount;
 303         break;
 304       case MRI_Ref:
 305         PrintModRefResults("Just Ref", PrintRef, I, *V, F.getParent());
 306         ++RefCount;
 307         break;
 308       case MRI_ModRef:
 309         PrintModRefResults("Both ModRef", PrintModRef, I, *V, F.getParent());
 310         ++ModRefCount;
 311         break;
 312       }
 313     }
 314   }
 315
 316   // Mod/ref alias analysis: compare all pairs of calls
 317   for (auto C = CallSites.begin(), Ce = CallSites.end(); C != Ce; ++C) {
 318     for (auto D = CallSites.begin(); D != Ce; ++D) {
 319       if (D == C)
 320         continue;
 321       switch (AA.getModRefInfo(*C, *D)) {
 322       case MRI_NoModRef:
 323         PrintModRefResults("NoModRef", PrintNoModRef, *C, *D, F.getParent());
 324         ++NoModRefCount;
 325         break;
 326       case MRI_Mod:
 327         PrintModRefResults("Just Mod", PrintMod, *C, *D, F.getParent());
 328         ++ModCount;
 329         break;
 330       case MRI_Ref:
 331         PrintModRefResults("Just Ref", PrintRef, *C, *D, F.getParent());
 332         ++RefCount;
 333         break;
 334       case MRI_ModRef:
 335         PrintModRefResults("Both ModRef", PrintModRef, *C, *D, F.getParent());
 336         ++ModRefCount;
 337         break;
 338       }
 339     }
 340   }
 341
 342   return false;
 343 }
 344
 345 static void PrintPercent(unsigned Num, unsigned Sum) {
 346   errs() << "(" << Num*100ULL/Sum << "."
 347          << ((Num*1000ULL/Sum) % 10) << "%)\n";
 348 }
 349
 350 bool AAEval::doFinalization(Module &M) {
 351   unsigned AliasSum =
 352       NoAliasCount + MayAliasCount + PartialAliasCount + MustAliasCount;
 353   errs() << "===== Alias Analysis Evaluator Report =====\n";
 354   if (AliasSum == 0) {
 355     errs() << "  Alias Analysis Evaluator Summary: No pointers!\n";
 356   } else {
 357     errs() << "  " << AliasSum << " Total Alias Queries Performed\n";
 358     errs() << "  " << NoAliasCount << " no alias responses ";
 359     PrintPercent(NoAliasCount, AliasSum);
 360     errs() << "  " << MayAliasCount << " may alias responses ";
 361     PrintPercent(MayAliasCount, AliasSum);
 362     errs() << "  " << PartialAliasCount << " partial alias responses ";
 363     PrintPercent(PartialAliasCount, AliasSum);
 364     errs() << "  " << MustAliasCount << " must alias responses ";
 365     PrintPercent(MustAliasCount, AliasSum);
 366     errs() << "  Alias Analysis Evaluator Pointer Alias Summary: "
 367            << NoAliasCount * 100 / AliasSum << "%/"
 368            << MayAliasCount * 100 / AliasSum << "%/"
 369            << PartialAliasCount * 100 / AliasSum << "%/"
 370            << MustAliasCount * 100 / AliasSum << "%\n";
 371   }
 372
 373   // Display the summary for mod/ref analysis
 374   unsigned ModRefSum = NoModRefCount + ModCount + RefCount + ModRefCount;
 375   if (ModRefSum == 0) {
 376     errs() << "  Alias Analysis Mod/Ref Evaluator Summary: no "
 377               "mod/ref!\n";
 378   } else {
 379     errs() << "  " << ModRefSum << " Total ModRef Queries Performed\n";
 380     errs() << "  " << NoModRefCount << " no mod/ref responses ";
 381     PrintPercent(NoModRefCount, ModRefSum);
 382     errs() << "  " << ModCount << " mod responses ";
 383     PrintPercent(ModCount, ModRefSum);
 384     errs() << "  " << RefCount << " ref responses ";
 385     PrintPercent(RefCount, ModRefSum);
 386     errs() << "  " << ModRefCount << " mod & ref responses ";
 387     PrintPercent(ModRefCount, ModRefSum);
 388     errs() << "  Alias Analysis Evaluator Mod/Ref Summary: "
 389            << NoModRefCount * 100 / ModRefSum << "%/"
 390            << ModCount * 100 / ModRefSum << "%/" << RefCount * 100 / ModRefSum
 391            << "%/" << ModRefCount * 100 / ModRefSum << "%\n";
 392   }
 393
 394   return false;
 395 }