lib/Analysis/CFLAliasAnalysis.cpp

   1 //===- CFLAliasAnalysis.cpp - CFL-Based Alias Analysis Implementation ------==//
   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 CFL-based context-insensitive alias analysis
  11 // algorithm. It does not depend on types. The algorithm is a mixture of the one
  12 // described in "Demand-driven alias analysis for C" by Xin Zheng and Radu
  13 // Rugina, and "Fast algorithms for Dyck-CFL-reachability with applications to
  14 // Alias Analysis" by Zhang Q, Lyu M R, Yuan H, and Su Z. -- to summarize the
  15 // papers, we build a graph of the uses of a variable, where each node is a
  16 // memory location, and each edge is an action that happened on that memory
  17 // location.  The "actions" can be one of Dereference, Reference, Assign, or
  18 // Assign.
  19 //
  20 // Two variables are considered as aliasing iff you can reach one value's node
  21 // from the other value's node and the language formed by concatenating all of
  22 // the edge labels (actions) conforms to a context-free grammar.
  23 //
  24 // Because this algorithm requires a graph search on each query, we execute the
  25 // algorithm outlined in "Fast algorithms..." (mentioned above)
  26 // in order to transform the graph into sets of variables that may alias in
  27 // ~nlogn time (n = number of variables.), which makes queries take constant
  28 // time.
  29 //===----------------------------------------------------------------------===//
  30
  31 #include "StratifiedSets.h"
  32 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
  33 #include "llvm/ADT/BitVector.h"
  34 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  35 #include "llvm/ADT/Optional.h"
  36 #include "llvm/ADT/None.h"
  37 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  38 #include "llvm/IR/Constants.h"
  39 #include "llvm/IR/Function.h"
  40 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  41 #include "llvm/IR/InstVisitor.h"
  42 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
  43 #include "llvm/Pass.h"
  44 #include "llvm/Support/Allocator.h"
  45 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  46 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  47 #include <algorithm>
  48 #include <cassert>
  49 #include <forward_list>
  50 #include <tuple>
  51
  52 using namespace llvm;
  53
  54 // Try to go from a Value* to a Function*. Never returns nullptr.
  55 static Optional<Function *> parentFunctionOfValue(Value *);
  56
  57 // Returns possible functions called by the Inst* into the given
  58 // SmallVectorImpl. Returns true if targets found, false otherwise.
  59 // This is templated because InvokeInst/CallInst give us the same
  60 // set of functions that we care about, and I don't like repeating
  61 // myself.
  62 template <typename Inst>
  63 static bool getPossibleTargets(Inst *, SmallVectorImpl<Function *> &);
  64
  65 // Some instructions need to have their users tracked. Instructions like
  66 // `add` require you to get the users of the Instruction* itself, other
  67 // instructions like `store` require you to get the users of the first
  68 // operand. This function gets the "proper" value to track for each
  69 // type of instruction we support.
  70 static Optional<Value *> getTargetValue(Instruction *);
  71
  72 // There are certain instructions (i.e. FenceInst, etc.) that we ignore.
  73 // This notes that we should ignore those.
  74 static bool hasUsefulEdges(Instruction *);
  75
  76 namespace {
  77 // StratifiedInfo Attribute things.
  78 typedef unsigned StratifiedAttr;
  79 LLVM_CONSTEXPR unsigned MaxStratifiedAttrIndex = NumStratifiedAttrs;
  80 LLVM_CONSTEXPR unsigned AttrAllIndex = 0;
  81 LLVM_CONSTEXPR unsigned AttrGlobalIndex = 1;
  82 LLVM_CONSTEXPR unsigned AttrFirstArgIndex = 2;
  83 LLVM_CONSTEXPR unsigned AttrLastArgIndex = MaxStratifiedAttrIndex;
  84 LLVM_CONSTEXPR unsigned AttrMaxNumArgs = AttrLastArgIndex - AttrFirstArgIndex;
  85
  86 LLVM_CONSTEXPR StratifiedAttr AttrNone = 0;
  87 LLVM_CONSTEXPR StratifiedAttr AttrAll = ~AttrNone;
  88
  89 // \brief StratifiedSets call for knowledge of "direction", so this is how we
  90 // represent that locally.
  91 enum class Level { Same, Above, Below };
  92
  93 // \brief Edges can be one of four "weights" -- each weight must have an inverse
  94 // weight (Assign has Assign; Reference has Dereference).
  95 enum class EdgeType {
  96   // The weight assigned when assigning from or to a value. For example, in:
  97   // %b = getelementptr %a, 0
  98   // ...The relationships are %b assign %a, and %a assign %b. This used to be
  99   // two edges, but having a distinction bought us nothing.
 100   Assign,
 101
 102   // The edge used when we have an edge going from some handle to a Value.
 103   // Examples of this include:
 104   // %b = load %a              (%b Dereference %a)
 105   // %b = extractelement %a, 0 (%a Dereference %b)
 106   Dereference,
 107
 108   // The edge used when our edge goes from a value to a handle that may have
 109   // contained it at some point. Examples:
 110   // %b = load %a              (%a Reference %b)
 111   // %b = extractelement %a, 0 (%b Reference %a)
 112   Reference
 113 };
 114
 115 // \brief Encodes the notion of a "use"
 116 struct Edge {
 117   // \brief Which value the edge is coming from
 118   Value *From;
 119
 120   // \brief Which value the edge is pointing to
 121   Value *To;
 122
 123   // \brief Edge weight
 124   EdgeType Weight;
 125
 126   // \brief Whether we aliased any external values along the way that may be
 127   // invisible to the analysis (i.e. landingpad for exceptions, calls for
 128   // interprocedural analysis, etc.)
 129   StratifiedAttrs AdditionalAttrs;
 130
 131   Edge(Value *From, Value *To, EdgeType W, StratifiedAttrs A)
 132       : From(From), To(To), Weight(W), AdditionalAttrs(A) {}
 133 };
 134
 135 // \brief Information we have about a function and would like to keep around
 136 struct FunctionInfo {
 137   StratifiedSets<Value *> Sets;
 138   // Lots of functions have < 4 returns. Adjust as necessary.
 139   SmallVector<Value *, 4> ReturnedValues;
 140 };
 141
 142 struct CFLAliasAnalysis;
 143
 144 struct FunctionHandle : public CallbackVH {
 145   FunctionHandle(Function *Fn, CFLAliasAnalysis *CFLAA)
 146       : CallbackVH(Fn), CFLAA(CFLAA) {
 147     assert(Fn != nullptr);
 148     assert(CFLAA != nullptr);
 149   }
 150
 151   virtual ~FunctionHandle() {}
 152
 153   virtual void deleted() override { removeSelfFromCache(); }
 154   virtual void allUsesReplacedWith(Value *) override { removeSelfFromCache(); }
 155
 156 private:
 157   CFLAliasAnalysis *CFLAA;
 158
 159   void removeSelfFromCache();
 160 };
 161
 162 struct CFLAliasAnalysis : public ImmutablePass, public AliasAnalysis {
 163 private:
 164   /// \brief Cached mapping of Functions to their StratifiedSets.
 165   /// If a function's sets are currently being built, it is marked
 166   /// in the cache as an Optional without a value. This way, if we
 167   /// have any kind of recursion, it is discernable from a function
 168   /// that simply has empty sets.
 169   DenseMap<Function *, Optional<FunctionInfo>> Cache;
 170   std::forward_list<FunctionHandle> Handles;
 171
 172 public:
 173   static char ID;
 174
 175   CFLAliasAnalysis() : ImmutablePass(ID) {
 176     initializeCFLAliasAnalysisPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 177   }
 178
 179   virtual ~CFLAliasAnalysis() {}
 180
 181   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 182     AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
 183   }
 184
 185   void *getAdjustedAnalysisPointer(const void *ID) override {
 186     if (ID == &AliasAnalysis::ID)
 187       return (AliasAnalysis *)this;
 188     return this;
 189   }
 190
 191   /// \brief Inserts the given Function into the cache.
 192   void scan(Function *Fn);
 193
 194   void evict(Function *Fn) { Cache.erase(Fn); }
 195
 196   /// \brief Ensures that the given function is available in the cache.
 197   /// Returns the appropriate entry from the cache.
 198   const Optional<FunctionInfo> &ensureCached(Function *Fn) {
 199     auto Iter = Cache.find(Fn);
 200     if (Iter == Cache.end()) {
 201       scan(Fn);
 202       Iter = Cache.find(Fn);
 203       assert(Iter != Cache.end());
 204       assert(Iter->second.hasValue());
 205     }
 206     return Iter->second;
 207   }
 208
 209   AliasResult query(const Location &LocA, const Location &LocB);
 210
 211   AliasResult alias(const Location &LocA, const Location &LocB) override {
 212     if (LocA.Ptr == LocB.Ptr) {
 213       if (LocA.Size == LocB.Size) {
 214         return MustAlias;
 215       } else {
 216         return PartialAlias;
 217       }
 218     }
 219
 220     // Comparisons between global variables and other constants should be
 221     // handled by BasicAA.
 222     if (isa<Constant>(LocA.Ptr) && isa<Constant>(LocB.Ptr)) {
 223       return MayAlias;
 224     }
 225
 226     return query(LocA, LocB);
 227   }
 228
 229   void initializePass() override { InitializeAliasAnalysis(this); }
 230 };
 231
 232 void FunctionHandle::removeSelfFromCache() {
 233   assert(CFLAA != nullptr);
 234   auto *Val = getValPtr();
 235   CFLAA->evict(cast<Function>(Val));
 236   setValPtr(nullptr);
 237 }
 238
 239 // \brief Gets the edges our graph should have, based on an Instruction*
 240 class GetEdgesVisitor : public InstVisitor<GetEdgesVisitor, void> {
 241   CFLAliasAnalysis &AA;
 242   SmallVectorImpl<Edge> &Output;
 243
 244 public:
 245   GetEdgesVisitor(CFLAliasAnalysis &AA, SmallVectorImpl<Edge> &Output)
 246       : AA(AA), Output(Output) {}
 247
 248   void visitInstruction(Instruction &) {
 249     llvm_unreachable("Unsupported instruction encountered");
 250   }
 251
 252   void visitCastInst(CastInst &Inst) {
 253     Output.push_back(Edge(&Inst, Inst.getOperand(0), EdgeType::Assign,
 254                           AttrNone));
 255   }
 256
 257   void visitBinaryOperator(BinaryOperator &Inst) {
 258     auto *Op1 = Inst.getOperand(0);
 259     auto *Op2 = Inst.getOperand(1);
 260     Output.push_back(Edge(&Inst, Op1, EdgeType::Assign, AttrNone));
 261     Output.push_back(Edge(&Inst, Op2, EdgeType::Assign, AttrNone));
 262   }
 263
 264   void visitAtomicCmpXchgInst(AtomicCmpXchgInst &Inst) {
 265     auto *Ptr = Inst.getPointerOperand();
 266     auto *Val = Inst.getNewValOperand();
 267     Output.push_back(Edge(Ptr, Val, EdgeType::Dereference, AttrNone));
 268   }
 269
 270   void visitAtomicRMWInst(AtomicRMWInst &Inst) {
 271     auto *Ptr = Inst.getPointerOperand();
 272     auto *Val = Inst.getValOperand();
 273     Output.push_back(Edge(Ptr, Val, EdgeType::Dereference, AttrNone));
 274   }
 275
 276   void visitPHINode(PHINode &Inst) {
 277     for (unsigned I = 0, E = Inst.getNumIncomingValues(); I != E; ++I) {
 278       Value *Val = Inst.getIncomingValue(I);
 279       Output.push_back(Edge(&Inst, Val, EdgeType::Assign, AttrNone));
 280     }
 281   }
 282
 283   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &Inst) {
 284     auto *Op = Inst.getPointerOperand();
 285     Output.push_back(Edge(&Inst, Op, EdgeType::Assign, AttrNone));
 286     for (auto I = Inst.idx_begin(), E = Inst.idx_end(); I != E; ++I)
 287       Output.push_back(Edge(&Inst, *I, EdgeType::Assign, AttrNone));
 288   }
 289
 290   void visitSelectInst(SelectInst &Inst) {
 291     auto *Condition = Inst.getCondition();
 292     Output.push_back(Edge(&Inst, Condition, EdgeType::Assign, AttrNone));
 293     auto *TrueVal = Inst.getTrueValue();
 294     Output.push_back(Edge(&Inst, TrueVal, EdgeType::Assign, AttrNone));
 295     auto *FalseVal = Inst.getFalseValue();
 296     Output.push_back(Edge(&Inst, FalseVal, EdgeType::Assign, AttrNone));
 297   }
 298
 299   void visitAllocaInst(AllocaInst &) {}
 300
 301   void visitLoadInst(LoadInst &Inst) {
 302     auto *Ptr = Inst.getPointerOperand();
 303     auto *Val = &Inst;
 304     Output.push_back(Edge(Val, Ptr, EdgeType::Reference, AttrNone));
 305   }
 306
 307   void visitStoreInst(StoreInst &Inst) {
 308     auto *Ptr = Inst.getPointerOperand();
 309     auto *Val = Inst.getValueOperand();
 310     Output.push_back(Edge(Ptr, Val, EdgeType::Dereference, AttrNone));
 311   }
 312
 313   static bool isFunctionExternal(Function *Fn) {
 314     return Fn->isDeclaration() || !Fn->hasLocalLinkage();
 315   }
 316
 317   // Gets whether the sets at Index1 above, below, or equal to the sets at
 318   // Index2. Returns None if they are not in the same set chain.
 319   static Optional<Level> getIndexRelation(const StratifiedSets<Value *> &Sets,
 320                                           StratifiedIndex Index1,
 321                                           StratifiedIndex Index2) {
 322     if (Index1 == Index2)
 323       return Level::Same;
 324
 325     const auto *Current = &Sets.getLink(Index1);
 326     while (Current->hasBelow()) {
 327       if (Current->Below == Index2)
 328         return Level::Below;
 329       Current = &Sets.getLink(Current->Below);
 330     }
 331
 332     Current = &Sets.getLink(Index1);
 333     while (Current->hasAbove()) {
 334       if (Current->Above == Index2)
 335         return Level::Above;
 336       Current = &Sets.getLink(Current->Above);
 337     }
 338
 339     return NoneType();
 340   }
 341
 342   bool
 343   tryInterproceduralAnalysis(const SmallVectorImpl<Function *> &Fns,
 344                              Value *FuncValue,
 345                              const iterator_range<User::op_iterator> &Args) {
 346     const unsigned ExpectedMaxArgs = 8;
 347     const unsigned MaxSupportedArgs = 50;
 348     assert(Fns.size() > 0);
 349
 350     // I put this here to give us an upper bound on time taken by IPA. Is it
 351     // really (realistically) needed? Keep in mind that we do have an n^2 algo.
 352     if (std::distance(Args.begin(), Args.end()) > (int) MaxSupportedArgs)
 353       return false;
 354
 355     // Exit early if we'll fail anyway
 356     for (auto *Fn : Fns) {
 357       if (isFunctionExternal(Fn) || Fn->isVarArg())
 358         return false;
 359       auto &MaybeInfo = AA.ensureCached(Fn);
 360       if (!MaybeInfo.hasValue())
 361         return false;
 362     }
 363
 364     SmallVector<Value *, ExpectedMaxArgs> Arguments(Args.begin(), Args.end());
 365     SmallVector<StratifiedInfo, ExpectedMaxArgs> Parameters;
 366     for (auto *Fn : Fns) {
 367       auto &Info = *AA.ensureCached(Fn);
 368       auto &Sets = Info.Sets;
 369       auto &RetVals = Info.ReturnedValues;
 370
 371       Parameters.clear();
 372       for (auto &Param : Fn->args()) {
 373         auto MaybeInfo = Sets.find(&Param);
 374         // Did a new parameter somehow get added to the function/slip by?
 375         if (!MaybeInfo.hasValue())
 376           return false;
 377         Parameters.push_back(*MaybeInfo);
 378       }
 379
 380       // Adding an edge from argument -> return value for each parameter that
 381       // may alias the return value
 382       for (unsigned I = 0, E = Parameters.size(); I != E; ++I) {
 383         auto &ParamInfo = Parameters[I];
 384         auto &ArgVal = Arguments[I];
 385         bool AddEdge = false;
 386         StratifiedAttrs Externals;
 387         for (unsigned X = 0, XE = RetVals.size(); X != XE; ++X) {
 388           auto MaybeInfo = Sets.find(RetVals[X]);
 389           if (!MaybeInfo.hasValue())
 390             return false;
 391
 392           auto &RetInfo = *MaybeInfo;
 393           auto RetAttrs = Sets.getLink(RetInfo.Index).Attrs;
 394           auto ParamAttrs = Sets.getLink(ParamInfo.Index).Attrs;
 395           auto MaybeRelation =
 396               getIndexRelation(Sets, ParamInfo.Index, RetInfo.Index);
 397           if (MaybeRelation.hasValue()) {
 398             AddEdge = true;
 399             Externals |= RetAttrs | ParamAttrs;
 400           }
 401         }
 402         if (AddEdge)
 403           Output.push_back(Edge(FuncValue, ArgVal, EdgeType::Assign,
 404                             StratifiedAttrs().flip()));
 405       }
 406
 407       if (Parameters.size() != Arguments.size())
 408         return false;
 409
 410       // Adding edges between arguments for arguments that may end up aliasing
 411       // each other. This is necessary for functions such as
 412       // void foo(int** a, int** b) { *a = *b; }
 413       // (Technically, the proper sets for this would be those below
 414       // Arguments[I] and Arguments[X], but our algorithm will produce
 415       // extremely similar, and equally correct, results either way)
 416       for (unsigned I = 0, E = Arguments.size(); I != E; ++I) {
 417         auto &MainVal = Arguments[I];
 418         auto &MainInfo = Parameters[I];
 419         auto &MainAttrs = Sets.getLink(MainInfo.Index).Attrs;
 420         for (unsigned X = I + 1; X != E; ++X) {
 421           auto &SubInfo = Parameters[X];
 422           auto &SubVal = Arguments[X];
 423           auto &SubAttrs = Sets.getLink(SubInfo.Index).Attrs;
 424           auto MaybeRelation =
 425               getIndexRelation(Sets, MainInfo.Index, SubInfo.Index);
 426
 427           if (!MaybeRelation.hasValue())
 428             continue;
 429
 430           auto NewAttrs = SubAttrs | MainAttrs;
 431           Output.push_back(Edge(MainVal, SubVal, EdgeType::Assign, NewAttrs));
 432         }
 433       }
 434     }
 435     return true;
 436   }
 437
 438   template <typename InstT> void visitCallLikeInst(InstT &Inst) {
 439     SmallVector<Function *, 4> Targets;
 440     if (getPossibleTargets(&Inst, Targets)) {
 441       if (tryInterproceduralAnalysis(Targets, &Inst, Inst.arg_operands()))
 442         return;
 443       // Cleanup from interprocedural analysis
 444       Output.clear();
 445     }
 446
 447     for (Value *V : Inst.arg_operands())
 448       Output.push_back(Edge(&Inst, V, EdgeType::Assign, AttrAll));
 449   }
 450
 451   void visitCallInst(CallInst &Inst) { visitCallLikeInst(Inst); }
 452
 453   void visitInvokeInst(InvokeInst &Inst) { visitCallLikeInst(Inst); }
 454
 455   // Because vectors/aggregates are immutable and unaddressable,
 456   // there's nothing we can do to coax a value out of them, other
 457   // than calling Extract{Element,Value}. We can effectively treat
 458   // them as pointers to arbitrary memory locations we can store in
 459   // and load from.
 460   void visitExtractElementInst(ExtractElementInst &Inst) {
 461     auto *Ptr = Inst.getVectorOperand();
 462     auto *Val = &Inst;
 463     Output.push_back(Edge(Val, Ptr, EdgeType::Reference, AttrNone));
 464   }
 465
 466   void visitInsertElementInst(InsertElementInst &Inst) {
 467     auto *Vec = Inst.getOperand(0);
 468     auto *Val = Inst.getOperand(1);
 469     Output.push_back(Edge(&Inst, Vec, EdgeType::Assign, AttrNone));
 470     Output.push_back(Edge(&Inst, Val, EdgeType::Dereference, AttrNone));
 471   }
 472
 473   void visitLandingPadInst(LandingPadInst &Inst) {
 474     // Exceptions come from "nowhere", from our analysis' perspective.
 475     // So we place the instruction its own group, noting that said group may
 476     // alias externals
 477     Output.push_back(Edge(&Inst, &Inst, EdgeType::Assign, AttrAll));
 478   }
 479
 480   void visitInsertValueInst(InsertValueInst &Inst) {
 481     auto *Agg = Inst.getOperand(0);
 482     auto *Val = Inst.getOperand(1);
 483     Output.push_back(Edge(&Inst, Agg, EdgeType::Assign, AttrNone));
 484     Output.push_back(Edge(&Inst, Val, EdgeType::Dereference, AttrNone));
 485   }
 486
 487   void visitExtractValueInst(ExtractValueInst &Inst) {
 488     auto *Ptr = Inst.getAggregateOperand();
 489     Output.push_back(Edge(&Inst, Ptr, EdgeType::Reference, AttrNone));
 490   }
 491
 492   void visitShuffleVectorInst(ShuffleVectorInst &Inst) {
 493     auto *From1 = Inst.getOperand(0);
 494     auto *From2 = Inst.getOperand(1);
 495     Output.push_back(Edge(&Inst, From1, EdgeType::Assign, AttrNone));
 496     Output.push_back(Edge(&Inst, From2, EdgeType::Assign, AttrNone));
 497   }
 498 };
 499
 500 // For a given instruction, we need to know which Value* to get the
 501 // users of in order to build our graph. In some cases (i.e. add),
 502 // we simply need the Instruction*. In other cases (i.e. store),
 503 // finding the users of the Instruction* is useless; we need to find
 504 // the users of the first operand. This handles determining which
 505 // value to follow for us.
 506 //
 507 // Note: we *need* to keep this in sync with GetEdgesVisitor. Add
 508 // something to GetEdgesVisitor, add it here -- remove something from
 509 // GetEdgesVisitor, remove it here.
 510 class GetTargetValueVisitor
 511     : public InstVisitor<GetTargetValueVisitor, Value *> {
 512 public:
 513   Value *visitInstruction(Instruction &Inst) { return &Inst; }
 514
 515   Value *visitStoreInst(StoreInst &Inst) { return Inst.getPointerOperand(); }
 516
 517   Value *visitAtomicCmpXchgInst(AtomicCmpXchgInst &Inst) {
 518     return Inst.getPointerOperand();
 519   }
 520
 521   Value *visitAtomicRMWInst(AtomicRMWInst &Inst) {
 522     return Inst.getPointerOperand();
 523   }
 524
 525   Value *visitInsertElementInst(InsertElementInst &Inst) {
 526     return Inst.getOperand(0);
 527   }
 528
 529   Value *visitInsertValueInst(InsertValueInst &Inst) {
 530     return Inst.getAggregateOperand();
 531   }
 532 };
 533
 534 // Set building requires a weighted bidirectional graph.
 535 template <typename EdgeTypeT> class WeightedBidirectionalGraph {
 536 public:
 537   typedef std::size_t Node;
 538
 539 private:
 540   const static Node StartNode = Node(0);
 541
 542   struct Edge {
 543     EdgeTypeT Weight;
 544     Node Other;
 545
 546     Edge(const EdgeTypeT &W, const Node &N)
 547       : Weight(W), Other(N) {}
 548
 549     bool operator==(const Edge &E) const {
 550       return Weight == E.Weight && Other == E.Other;
 551     }
 552
 553     bool operator!=(const Edge &E) const { return !operator==(E); }
 554   };
 555
 556   struct NodeImpl {
 557     std::vector<Edge> Edges;
 558   };
 559
 560   std::vector<NodeImpl> NodeImpls;
 561
 562   bool inbounds(Node NodeIndex) const { return NodeIndex < NodeImpls.size(); }
 563
 564   const NodeImpl &getNode(Node N) const { return NodeImpls[N]; }
 565   NodeImpl &getNode(Node N) { return NodeImpls[N]; }
 566
 567 public:
 568   // ----- Various Edge iterators for the graph ----- //
 569
 570   // \brief Iterator for edges. Because this graph is bidirected, we don't
 571   // allow modificaiton of the edges using this iterator. Additionally, the
 572   // iterator becomes invalid if you add edges to or from the node you're
 573   // getting the edges of.
 574   struct EdgeIterator : public std::iterator<std::forward_iterator_tag,
 575                                              std::tuple<EdgeTypeT, Node *>> {
 576     EdgeIterator(const typename std::vector<Edge>::const_iterator &Iter)
 577         : Current(Iter) {}
 578
 579     EdgeIterator(NodeImpl &Impl) : Current(Impl.begin()) {}
 580
 581     EdgeIterator &operator++() {
 582       ++Current;
 583       return *this;
 584     }
 585
 586     EdgeIterator operator++(int) {
 587       EdgeIterator Copy(Current);
 588       operator++();
 589       return Copy;
 590     }
 591
 592     std::tuple<EdgeTypeT, Node> &operator*() {
 593       Store = std::make_tuple(Current->Weight, Current->Other);
 594       return Store;
 595     }
 596
 597     bool operator==(const EdgeIterator &Other) const {
 598       return Current == Other.Current;
 599     }
 600
 601     bool operator!=(const EdgeIterator &Other) const {
 602       return !operator==(Other);
 603     }
 604
 605   private:
 606     typename std::vector<Edge>::const_iterator Current;
 607     std::tuple<EdgeTypeT, Node> Store;
 608   };
 609
 610   // Wrapper for EdgeIterator with begin()/end() calls.
 611   struct EdgeIterable {
 612     EdgeIterable(const std::vector<Edge> &Edges)
 613         : BeginIter(Edges.begin()), EndIter(Edges.end()) {}
 614
 615     EdgeIterator begin() { return EdgeIterator(BeginIter); }
 616
 617     EdgeIterator end() { return EdgeIterator(EndIter); }
 618
 619   private:
 620     typename std::vector<Edge>::const_iterator BeginIter;
 621     typename std::vector<Edge>::const_iterator EndIter;
 622   };
 623
 624   // ----- Actual graph-related things ----- //
 625
 626   WeightedBidirectionalGraph() {}
 627
 628   WeightedBidirectionalGraph(WeightedBidirectionalGraph<EdgeTypeT> &&Other)
 629       : NodeImpls(std::move(Other.NodeImpls)) {}
 630
 631   WeightedBidirectionalGraph<EdgeTypeT> &
 632   operator=(WeightedBidirectionalGraph<EdgeTypeT> &&Other) {
 633     NodeImpls = std::move(Other.NodeImpls);
 634     return *this;
 635   }
 636
 637   Node addNode() {
 638     auto Index = NodeImpls.size();
 639     auto NewNode = Node(Index);
 640     NodeImpls.push_back(NodeImpl());
 641     return NewNode;
 642   }
 643
 644   void addEdge(Node From, Node To, const EdgeTypeT &Weight,
 645                const EdgeTypeT &ReverseWeight) {
 646     assert(inbounds(From));
 647     assert(inbounds(To));
 648     auto &FromNode = getNode(From);
 649     auto &ToNode = getNode(To);
 650     FromNode.Edges.push_back(Edge(Weight, To));
 651     ToNode.Edges.push_back(Edge(ReverseWeight, From));
 652   }
 653
 654   EdgeIterable edgesFor(const Node &N) const {
 655     const auto &Node = getNode(N);
 656     return EdgeIterable(Node.Edges);
 657   }
 658
 659   bool empty() const { return NodeImpls.empty(); }
 660   std::size_t size() const { return NodeImpls.size(); }
 661
 662   // \brief Gets an arbitrary node in the graph as a starting point for
 663   // traversal.
 664   Node getEntryNode() {
 665     assert(inbounds(StartNode));
 666     return StartNode;
 667   }
 668 };
 669
 670 typedef WeightedBidirectionalGraph<std::pair<EdgeType, StratifiedAttrs>> GraphT;
 671 typedef DenseMap<Value *, GraphT::Node> NodeMapT;
 672 }
 673
 674 // -- Setting up/registering CFLAA pass -- //
 675 char CFLAliasAnalysis::ID = 0;
 676
 677 INITIALIZE_AG_PASS(CFLAliasAnalysis, AliasAnalysis, "cfl-aa",
 678                    "CFL-Based AA implementation", false, true, false)
 679
 680 ImmutablePass *llvm::createCFLAliasAnalysisPass() {
 681   return new CFLAliasAnalysis();
 682 }
 683
 684 //===----------------------------------------------------------------------===//
 685 // Function declarations that require types defined in the namespace above
 686 //===----------------------------------------------------------------------===//
 687
 688 // Given an argument number, returns the appropriate Attr index to set.
 689 static StratifiedAttr argNumberToAttrIndex(StratifiedAttr);
 690
 691 // Given a Value, potentially return which AttrIndex it maps to.
 692 static Optional<StratifiedAttr> valueToAttrIndex(Value *Val);
 693
 694 // Gets the inverse of a given EdgeType.
 695 static EdgeType flipWeight(EdgeType);
 696
 697 // Gets edges of the given Instruction*, writing them to the SmallVector*.
 698 static void argsToEdges(CFLAliasAnalysis &, Instruction *,
 699                         SmallVectorImpl<Edge> &);
 700
 701 // Gets the "Level" that one should travel in StratifiedSets
 702 // given an EdgeType.
 703 static Level directionOfEdgeType(EdgeType);
 704
 705 // Builds the graph needed for constructing the StratifiedSets for the
 706 // given function
 707 static void buildGraphFrom(CFLAliasAnalysis &, Function *,
 708                            SmallVectorImpl<Value *> &, NodeMapT &, GraphT &);
 709
 710 // Builds the graph + StratifiedSets for a function.
 711 static FunctionInfo buildSetsFrom(CFLAliasAnalysis &, Function *);
 712
 713 static Optional<Function *> parentFunctionOfValue(Value *Val) {
 714   if (auto *Inst = dyn_cast<Instruction>(Val)) {
 715     auto *Bb = Inst->getParent();
 716     return Bb->getParent();
 717   }
 718
 719   if (auto *Arg = dyn_cast<Argument>(Val))
 720     return Arg->getParent();
 721   return NoneType();
 722 }
 723
 724 template <typename Inst>
 725 static bool getPossibleTargets(Inst *Call,
 726                                SmallVectorImpl<Function *> &Output) {
 727   if (auto *Fn = Call->getCalledFunction()) {
 728     Output.push_back(Fn);
 729     return true;
 730   }
 731
 732   // TODO: If the call is indirect, we might be able to enumerate all potential
 733   // targets of the call and return them, rather than just failing.
 734   return false;
 735 }
 736
 737 static Optional<Value *> getTargetValue(Instruction *Inst) {
 738   GetTargetValueVisitor V;
 739   return V.visit(Inst);
 740 }
 741
 742 static bool hasUsefulEdges(Instruction *Inst) {
 743   bool IsNonInvokeTerminator =
 744       isa<TerminatorInst>(Inst) && !isa<InvokeInst>(Inst);
 745   return !isa<CmpInst>(Inst) && !isa<FenceInst>(Inst) && !IsNonInvokeTerminator;
 746 }
 747
 748 static Optional<StratifiedAttr> valueToAttrIndex(Value *Val) {
 749   if (isa<GlobalValue>(Val))
 750     return AttrGlobalIndex;
 751
 752   if (auto *Arg = dyn_cast<Argument>(Val))
 753     if (!Arg->hasNoAliasAttr())
 754       return argNumberToAttrIndex(Arg->getArgNo());
 755   return NoneType();
 756 }
 757
 758 static StratifiedAttr argNumberToAttrIndex(unsigned ArgNum) {
 759   if (ArgNum > AttrMaxNumArgs)
 760     return AttrAllIndex;
 761   return ArgNum + AttrFirstArgIndex;
 762 }
 763
 764 static EdgeType flipWeight(EdgeType Initial) {
 765   switch (Initial) {
 766   case EdgeType::Assign:
 767     return EdgeType::Assign;
 768   case EdgeType::Dereference:
 769     return EdgeType::Reference;
 770   case EdgeType::Reference:
 771     return EdgeType::Dereference;
 772   }
 773   llvm_unreachable("Incomplete coverage of EdgeType enum");
 774 }
 775
 776 static void argsToEdges(CFLAliasAnalysis &Analysis, Instruction *Inst,
 777                         SmallVectorImpl<Edge> &Output) {
 778   GetEdgesVisitor v(Analysis, Output);
 779   v.visit(Inst);
 780 }
 781
 782 static Level directionOfEdgeType(EdgeType Weight) {
 783   switch (Weight) {
 784   case EdgeType::Reference:
 785     return Level::Above;
 786   case EdgeType::Dereference:
 787     return Level::Below;
 788   case EdgeType::Assign:
 789     return Level::Same;
 790   }
 791   llvm_unreachable("Incomplete switch coverage");
 792 }
 793
 794 // Aside: We may remove graph construction entirely, because it doesn't really
 795 // buy us much that we don't already have. I'd like to add interprocedural
 796 // analysis prior to this however, in case that somehow requires the graph
 797 // produced by this for efficient execution
 798 static void buildGraphFrom(CFLAliasAnalysis &Analysis, Function *Fn,
 799                            SmallVectorImpl<Value *> &ReturnedValues,
 800                            NodeMapT &Map, GraphT &Graph) {
 801   const auto findOrInsertNode = [&Map, &Graph](Value *Val) {
 802     auto Pair = Map.insert(std::make_pair(Val, GraphT::Node()));
 803     auto &Iter = Pair.first;
 804     if (Pair.second) {
 805       auto NewNode = Graph.addNode();
 806       Iter->second = NewNode;
 807     }
 808     return Iter->second;
 809   };
 810
 811   SmallVector<Edge, 8> Edges;
 812   for (auto &Bb : Fn->getBasicBlockList()) {
 813     for (auto &Inst : Bb.getInstList()) {
 814       // We don't want the edges of most "return" instructions, but we *do* want
 815       // to know what can be returned.
 816       if (auto *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(&Inst))
 817         ReturnedValues.push_back(Ret);
 818
 819       if (!hasUsefulEdges(&Inst))
 820         continue;
 821
 822       Edges.clear();
 823       argsToEdges(Analysis, &Inst, Edges);
 824
 825       // In the case of an unused alloca (or similar), edges may be empty. Note
 826       // that it exists so we can potentially answer NoAlias.
 827       if (Edges.empty()) {
 828         auto MaybeVal = getTargetValue(&Inst);
 829         assert(MaybeVal.hasValue());
 830         auto *Target = *MaybeVal;
 831         findOrInsertNode(Target);
 832         continue;
 833       }
 834
 835       for (const Edge &E : Edges) {
 836         auto To = findOrInsertNode(E.To);
 837         auto From = findOrInsertNode(E.From);
 838         auto FlippedWeight = flipWeight(E.Weight);
 839         auto Attrs = E.AdditionalAttrs;
 840         Graph.addEdge(From, To, {E.Weight, Attrs}, {FlippedWeight, Attrs});
 841       }
 842     }
 843   }
 844 }
 845
 846 static FunctionInfo buildSetsFrom(CFLAliasAnalysis &Analysis, Function *Fn) {
 847   NodeMapT Map;
 848   GraphT Graph;
 849   SmallVector<Value *, 4> ReturnedValues;
 850
 851   buildGraphFrom(Analysis, Fn, ReturnedValues, Map, Graph);
 852
 853   DenseMap<GraphT::Node, Value *> NodeValueMap;
 854   NodeValueMap.resize(Map.size());
 855   for (const auto &Pair : Map)
 856     NodeValueMap.insert(std::make_pair(Pair.second, Pair.first));
 857
 858   const auto findValueOrDie = [&NodeValueMap](GraphT::Node Node) {
 859     auto ValIter = NodeValueMap.find(Node);
 860     assert(ValIter != NodeValueMap.end());
 861     return ValIter->second;
 862   };
 863
 864   StratifiedSetsBuilder<Value *> Builder;
 865
 866   SmallVector<GraphT::Node, 16> Worklist;
 867   for (auto &Pair : Map) {
 868     Worklist.clear();
 869
 870     auto *Value = Pair.first;
 871     Builder.add(Value);
 872     auto InitialNode = Pair.second;
 873     Worklist.push_back(InitialNode);
 874     while (!Worklist.empty()) {
 875       auto Node = Worklist.pop_back_val();
 876       auto *CurValue = findValueOrDie(Node);
 877       if (isa<Constant>(CurValue) && !isa<GlobalValue>(CurValue))
 878         continue;
 879
 880       for (const auto &EdgeTuple : Graph.edgesFor(Node)) {
 881         auto Weight = std::get<0>(EdgeTuple);
 882         auto Label = Weight.first;
 883         auto &OtherNode = std::get<1>(EdgeTuple);
 884         auto *OtherValue = findValueOrDie(OtherNode);
 885
 886         if (isa<Constant>(OtherValue) && !isa<GlobalValue>(OtherValue))
 887           continue;
 888
 889         bool Added;
 890         switch (directionOfEdgeType(Label)) {
 891         case Level::Above:
 892           Added = Builder.addAbove(CurValue, OtherValue);
 893           break;
 894         case Level::Below:
 895           Added = Builder.addBelow(CurValue, OtherValue);
 896           break;
 897         case Level::Same:
 898           Added = Builder.addWith(CurValue, OtherValue);
 899           break;
 900         }
 901
 902         if (Added) {
 903           auto Aliasing = Weight.second;
 904           if (auto MaybeCurIndex = valueToAttrIndex(CurValue))
 905             Aliasing.set(*MaybeCurIndex);
 906           if (auto MaybeOtherIndex = valueToAttrIndex(OtherValue))
 907             Aliasing.set(*MaybeOtherIndex);
 908           Builder.noteAttributes(CurValue, Aliasing);
 909           Builder.noteAttributes(OtherValue, Aliasing);
 910           Worklist.push_back(OtherNode);
 911         }
 912       }
 913     }
 914   }
 915
 916   // There are times when we end up with parameters not in our graph (i.e. if
 917   // it's only used as the condition of a branch). Other bits of code depend on
 918   // things that were present during construction being present in the graph.
 919   // So, we add all present arguments here.
 920   for (auto &Arg : Fn->args()) {
 921     Builder.add(&Arg);
 922   }
 923
 924   return {Builder.build(), std::move(ReturnedValues)};
 925 }
 926
 927 void CFLAliasAnalysis::scan(Function *Fn) {
 928   auto InsertPair = Cache.insert(std::make_pair(Fn, Optional<FunctionInfo>()));
 929   (void)InsertPair;
 930   assert(InsertPair.second &&
 931          "Trying to scan a function that has already been cached");
 932
 933   FunctionInfo Info(buildSetsFrom(*this, Fn));
 934   Cache[Fn] = std::move(Info);
 935   Handles.push_front(FunctionHandle(Fn, this));
 936 }
 937
 938 AliasAnalysis::AliasResult
 939 CFLAliasAnalysis::query(const AliasAnalysis::Location &LocA,
 940                         const AliasAnalysis::Location &LocB) {
 941   auto *ValA = const_cast<Value *>(LocA.Ptr);
 942   auto *ValB = const_cast<Value *>(LocB.Ptr);
 943
 944   Function *Fn = nullptr;
 945   auto MaybeFnA = parentFunctionOfValue(ValA);
 946   auto MaybeFnB = parentFunctionOfValue(ValB);
 947   if (!MaybeFnA.hasValue() && !MaybeFnB.hasValue()) {
 948     llvm_unreachable("Don't know how to extract the parent function "
 949                      "from values A or B");
 950   }
 951
 952   if (MaybeFnA.hasValue()) {
 953     Fn = *MaybeFnA;
 954     assert((!MaybeFnB.hasValue() || *MaybeFnB == *MaybeFnA) &&
 955            "Interprocedural queries not supported");
 956   } else {
 957     Fn = *MaybeFnB;
 958   }
 959
 960   assert(Fn != nullptr);
 961   auto &MaybeInfo = ensureCached(Fn);
 962   assert(MaybeInfo.hasValue());
 963
 964   auto &Sets = MaybeInfo->Sets;
 965   auto MaybeA = Sets.find(ValA);
 966   if (!MaybeA.hasValue())
 967     return AliasAnalysis::MayAlias;
 968
 969   auto MaybeB = Sets.find(ValB);
 970   if (!MaybeB.hasValue())
 971     return AliasAnalysis::MayAlias;
 972
 973   auto SetA = *MaybeA;
 974   auto SetB = *MaybeB;
 975
 976   if (SetA.Index == SetB.Index)
 977     return AliasAnalysis::PartialAlias;
 978
 979   auto AttrsA = Sets.getLink(SetA.Index).Attrs;
 980   auto AttrsB = Sets.getLink(SetB.Index).Attrs;
 981   auto CombinedAttrs = AttrsA | AttrsB;
 982   if (CombinedAttrs.any())
 983     return AliasAnalysis::PartialAlias;
 984
 985   return AliasAnalysis::NoAlias;
 986 }