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[oota-llvm.git] / lib / Analysis / GlobalsModRef.cpp
1 //===- GlobalsModRef.cpp - Simple Mod/Ref Analysis for Globals ------------===//
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 simple pass provides alias and mod/ref information for global values
11 // that do not have their address taken, and keeps track of whether functions
12 // read or write memory (are "pure").  For this simple (but very common) case,
13 // we can provide pretty accurate and useful information.
14 //
15 //===----------------------------------------------------------------------===//
16
17 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
18 #include "llvm/ADT/SCCIterator.h"
19 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
20 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
21 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
22 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
23 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
24 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
25 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
26 #include "llvm/IR/Instructions.h"
27 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
28 #include "llvm/IR/Module.h"
29 #include "llvm/Pass.h"
30 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
31 using namespace llvm;
32
33 #define DEBUG_TYPE "globalsmodref-aa"
34
35 STATISTIC(NumNonAddrTakenGlobalVars,
36           "Number of global vars without address taken");
37 STATISTIC(NumNonAddrTakenFunctions,"Number of functions without address taken");
38 STATISTIC(NumNoMemFunctions, "Number of functions that do not access memory");
39 STATISTIC(NumReadMemFunctions, "Number of functions that only read memory");
40 STATISTIC(NumIndirectGlobalVars, "Number of indirect global objects");
41
42 // An option to enable unsafe alias results from the GlobalsModRef analysis.
43 // When enabled, GlobalsModRef will provide no-alias results which in extremely
44 // rare cases may not be conservatively correct. In particular, in the face of
45 // transforms which cause assymetry between how effective GetUnderlyingObject
46 // is for two pointers, it may produce incorrect results.
47 //
48 // These unsafe results have been returned by GMR for many years without
49 // causing significant issues in the wild and so we provide a mechanism to
50 // re-enable them for users of LLVM that have a particular performance
51 // sensitivity and no known issues. The option also makes it easy to evaluate
52 // the performance impact of these results.
53 static cl::opt<bool> EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults(
54     "enable-unsafe-globalsmodref-alias-results", cl::init(false), cl::Hidden);
55
56 /// The mod/ref information collected for a particular function.
57 ///
58 /// We collect information about mod/ref behavior of a function here, both in
59 /// general and as pertains to specific globals. We only have this detailed
60 /// information when we know *something* useful about the behavior. If we
61 /// saturate to fully general mod/ref, we remove the info for the function.
62 class GlobalsAAResult::FunctionInfo {
63   typedef SmallDenseMap<const GlobalValue *, ModRefInfo, 16> GlobalInfoMapType;
64
65   /// Build a wrapper struct that has 8-byte alignment. All heap allocations
66   /// should provide this much alignment at least, but this makes it clear we
67   /// specifically rely on this amount of alignment.
68   struct LLVM_ALIGNAS(8) AlignedMap {
69     AlignedMap() {}
70     AlignedMap(const AlignedMap &Arg) : Map(Arg.Map) {}
71     GlobalInfoMapType Map;
72   };
73
74   /// Pointer traits for our aligned map.
75   struct AlignedMapPointerTraits {
76     static inline void *getAsVoidPointer(AlignedMap *P) { return P; }
77     static inline AlignedMap *getFromVoidPointer(void *P) {
78       return (AlignedMap *)P;
79     }
80     enum { NumLowBitsAvailable = 3 };
81     static_assert(AlignOf<AlignedMap>::Alignment >= (1 << NumLowBitsAvailable),
82                   "AlignedMap insufficiently aligned to have enough low bits.");
83   };
84
85   /// The bit that flags that this function may read any global. This is
86   /// chosen to mix together with ModRefInfo bits.
87   enum { MayReadAnyGlobal = 4 };
88
89   /// Checks to document the invariants of the bit packing here.
90   static_assert((MayReadAnyGlobal & MRI_ModRef) == 0,
91                 "ModRef and the MayReadAnyGlobal flag bits overlap.");
92   static_assert(((MayReadAnyGlobal | MRI_ModRef) >>
93                  AlignedMapPointerTraits::NumLowBitsAvailable) == 0,
94                 "Insufficient low bits to store our flag and ModRef info.");
95
96 public:
97   FunctionInfo() : Info() {}
98   ~FunctionInfo() {
99     delete Info.getPointer();
100   }
101   // Spell out the copy ond move constructors and assignment operators to get
102   // deep copy semantics and correct move semantics in the face of the
103   // pointer-int pair.
104   FunctionInfo(const FunctionInfo &Arg)
105       : Info(nullptr, Arg.Info.getInt()) {
106     if (const auto *ArgPtr = Arg.Info.getPointer())
107       Info.setPointer(new AlignedMap(*ArgPtr));
108   }
109   FunctionInfo(FunctionInfo &&Arg)
110       : Info(Arg.Info.getPointer(), Arg.Info.getInt()) {
111     Arg.Info.setPointerAndInt(nullptr, 0);
112   }
113   FunctionInfo &operator=(const FunctionInfo &RHS) {
114     delete Info.getPointer();
115     Info.setPointerAndInt(nullptr, RHS.Info.getInt());
116     if (const auto *RHSPtr = RHS.Info.getPointer())
117       Info.setPointer(new AlignedMap(*RHSPtr));
118     return *this;
119   }
120   FunctionInfo &operator=(FunctionInfo &&RHS) {
121     delete Info.getPointer();
122     Info.setPointerAndInt(RHS.Info.getPointer(), RHS.Info.getInt());
123     RHS.Info.setPointerAndInt(nullptr, 0);
124     return *this;
125   }
126
127   /// Returns the \c ModRefInfo info for this function.
128   ModRefInfo getModRefInfo() const {
129     return ModRefInfo(Info.getInt() & MRI_ModRef);
130   }
131
132   /// Adds new \c ModRefInfo for this function to its state.
133   void addModRefInfo(ModRefInfo NewMRI) {
134     Info.setInt(Info.getInt() | NewMRI);
135   }
136
137   /// Returns whether this function may read any global variable, and we don't
138   /// know which global.
139   bool mayReadAnyGlobal() const { return Info.getInt() & MayReadAnyGlobal; }
140
141   /// Sets this function as potentially reading from any global.
142   void setMayReadAnyGlobal() { Info.setInt(Info.getInt() | MayReadAnyGlobal); }
143
144   /// Returns the \c ModRefInfo info for this function w.r.t. a particular
145   /// global, which may be more precise than the general information above.
146   ModRefInfo getModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV) const {
147     ModRefInfo GlobalMRI = mayReadAnyGlobal() ? MRI_Ref : MRI_NoModRef;
148     if (AlignedMap *P = Info.getPointer()) {
149       auto I = P->Map.find(&GV);
150       if (I != P->Map.end())
151         GlobalMRI = ModRefInfo(GlobalMRI | I->second);
152     }
153     return GlobalMRI;
154   }
155
156   /// Add mod/ref info from another function into ours, saturating towards
157   /// MRI_ModRef.
158   void addFunctionInfo(const FunctionInfo &FI) {
159     addModRefInfo(FI.getModRefInfo());
160
161     if (FI.mayReadAnyGlobal())
162       setMayReadAnyGlobal();
163
164     if (AlignedMap *P = FI.Info.getPointer())
165       for (const auto &G : P->Map)
166         addModRefInfoForGlobal(*G.first, G.second);
167   }
168
169   void addModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV, ModRefInfo NewMRI) {
170     AlignedMap *P = Info.getPointer();
171     if (!P) {
172       P = new AlignedMap();
173       Info.setPointer(P);
174     }
175     auto &GlobalMRI = P->Map[&GV];
176     GlobalMRI = ModRefInfo(GlobalMRI | NewMRI);
177   }
178
179   /// Clear a global's ModRef info. Should be used when a global is being
180   /// deleted.
181   void eraseModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV) {
182     if (AlignedMap *P = Info.getPointer())
183       P->Map.erase(&GV);
184   }
185
186 private:
187   /// All of the information is encoded into a single pointer, with a three bit
188   /// integer in the low three bits. The high bit provides a flag for when this
189   /// function may read any global. The low two bits are the ModRefInfo. And
190   /// the pointer, when non-null, points to a map from GlobalValue to
191   /// ModRefInfo specific to that GlobalValue.
192   PointerIntPair<AlignedMap *, 3, unsigned, AlignedMapPointerTraits> Info;
193 };
194
195 void GlobalsAAResult::DeletionCallbackHandle::deleted() {
196   Value *V = getValPtr();
197   if (auto *F = dyn_cast<Function>(V))
198     GAR->FunctionInfos.erase(F);
199
200   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) {
201     if (GAR->NonAddressTakenGlobals.erase(GV)) {
202       // This global might be an indirect global.  If so, remove it and
203       // remove any AllocRelatedValues for it.
204       if (GAR->IndirectGlobals.erase(GV)) {
205         // Remove any entries in AllocsForIndirectGlobals for this global.
206         for (auto I = GAR->AllocsForIndirectGlobals.begin(),
207                   E = GAR->AllocsForIndirectGlobals.end();
208              I != E; ++I)
209           if (I->second == GV)
210             GAR->AllocsForIndirectGlobals.erase(I);
211       }
212
213       // Scan the function info we have collected and remove this global
214       // from all of them.
215       for (auto &FIPair : GAR->FunctionInfos)
216         FIPair.second.eraseModRefInfoForGlobal(*GV);
217     }
218   }
219
220   // If this is an allocation related to an indirect global, remove it.
221   GAR->AllocsForIndirectGlobals.erase(V);
222
223   // And clear out the handle.
224   setValPtr(nullptr);
225   GAR->Handles.erase(I);
226   // This object is now destroyed!
227 }
228
229 FunctionModRefBehavior GlobalsAAResult::getModRefBehavior(const Function *F) {
230   FunctionModRefBehavior Min = FMRB_UnknownModRefBehavior;
231
232   if (FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F)) {
233     if (FI->getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
234       Min = FMRB_DoesNotAccessMemory;
235     else if ((FI->getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
236       Min = FMRB_OnlyReadsMemory;
237   }
238
239   return FunctionModRefBehavior(AAResultBase::getModRefBehavior(F) & Min);
240 }
241
242 FunctionModRefBehavior
243 GlobalsAAResult::getModRefBehavior(ImmutableCallSite CS) {
244   FunctionModRefBehavior Min = FMRB_UnknownModRefBehavior;
245
246   if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
247     if (FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F)) {
248       if (FI->getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
249         Min = FMRB_DoesNotAccessMemory;
250       else if ((FI->getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
251         Min = FMRB_OnlyReadsMemory;
252     }
253
254   return FunctionModRefBehavior(AAResultBase::getModRefBehavior(CS) & Min);
255 }
256
257 /// Returns the function info for the function, or null if we don't have
258 /// anything useful to say about it.
259 GlobalsAAResult::FunctionInfo *
260 GlobalsAAResult::getFunctionInfo(const Function *F) {
261   auto I = FunctionInfos.find(F);
262   if (I != FunctionInfos.end())
263     return &I->second;
264   return nullptr;
265 }
266
267 /// AnalyzeGlobals - Scan through the users of all of the internal
268 /// GlobalValue's in the program.  If none of them have their "address taken"
269 /// (really, their address passed to something nontrivial), record this fact,
270 /// and record the functions that they are used directly in.
271 void GlobalsAAResult::AnalyzeGlobals(Module &M) {
272   SmallPtrSet<Function *, 64> TrackedFunctions;
273   for (Function &F : M)
274     if (F.hasLocalLinkage())
275       if (!AnalyzeUsesOfPointer(&F)) {
276         // Remember that we are tracking this global.
277         NonAddressTakenGlobals.insert(&F);
278         TrackedFunctions.insert(&F);
279         Handles.emplace_front(*this, &F);
280         Handles.front().I = Handles.begin();
281         ++NumNonAddrTakenFunctions;
282       }
283
284   SmallPtrSet<Function *, 64> Readers, Writers;
285   for (GlobalVariable &GV : M.globals())
286     if (GV.hasLocalLinkage()) {
287       if (!AnalyzeUsesOfPointer(&GV, &Readers,
288                                 GV.isConstant() ? nullptr : &Writers)) {
289         // Remember that we are tracking this global, and the mod/ref fns
290         NonAddressTakenGlobals.insert(&GV);
291         Handles.emplace_front(*this, &GV);
292         Handles.front().I = Handles.begin();
293
294         for (Function *Reader : Readers) {
295           if (TrackedFunctions.insert(Reader).second) {
296             Handles.emplace_front(*this, Reader);
297             Handles.front().I = Handles.begin();
298           }
299           FunctionInfos[Reader].addModRefInfoForGlobal(GV, MRI_Ref);
300         }
301
302         if (!GV.isConstant()) // No need to keep track of writers to constants
303           for (Function *Writer : Writers) {
304             if (TrackedFunctions.insert(Writer).second) {
305               Handles.emplace_front(*this, Writer);
306               Handles.front().I = Handles.begin();
307             }
308             FunctionInfos[Writer].addModRefInfoForGlobal(GV, MRI_Mod);
309           }
310         ++NumNonAddrTakenGlobalVars;
311
312         // If this global holds a pointer type, see if it is an indirect global.
313         if (GV.getType()->getElementType()->isPointerTy() &&
314             AnalyzeIndirectGlobalMemory(&GV))
315           ++NumIndirectGlobalVars;
316       }
317       Readers.clear();
318       Writers.clear();
319     }
320 }
321
322 /// AnalyzeUsesOfPointer - Look at all of the users of the specified pointer.
323 /// If this is used by anything complex (i.e., the address escapes), return
324 /// true.  Also, while we are at it, keep track of those functions that read and
325 /// write to the value.
326 ///
327 /// If OkayStoreDest is non-null, stores into this global are allowed.
328 bool GlobalsAAResult::AnalyzeUsesOfPointer(Value *V,
329                                            SmallPtrSetImpl<Function *> *Readers,
330                                            SmallPtrSetImpl<Function *> *Writers,
331                                            GlobalValue *OkayStoreDest) {
332   if (!V->getType()->isPointerTy())
333     return true;
334
335   for (Use &U : V->uses()) {
336     User *I = U.getUser();
337     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
338       if (Readers)
339         Readers->insert(LI->getParent()->getParent());
340     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
341       if (V == SI->getOperand(1)) {
342         if (Writers)
343           Writers->insert(SI->getParent()->getParent());
344       } else if (SI->getOperand(1) != OkayStoreDest) {
345         return true; // Storing the pointer
346       }
347     } else if (Operator::getOpcode(I) == Instruction::GetElementPtr) {
348       if (AnalyzeUsesOfPointer(I, Readers, Writers))
349         return true;
350     } else if (Operator::getOpcode(I) == Instruction::BitCast) {
351       if (AnalyzeUsesOfPointer(I, Readers, Writers, OkayStoreDest))
352         return true;
353     } else if (auto CS = CallSite(I)) {
354       // Make sure that this is just the function being called, not that it is
355       // passing into the function.
356       if (CS.isDataOperand(&U)) {
357         // Detect calls to free.
358         if (CS.isArgOperand(&U) && isFreeCall(I, &TLI)) {
359           if (Writers)
360             Writers->insert(CS->getParent()->getParent());
361         } else {
362           return true; // Argument of an unknown call.
363         }
364       }
365     } else if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(I)) {
366       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
367         return true; // Allow comparison against null.
368     } else {
369       return true;
370     }
371   }
372
373   return false;
374 }
375
376 /// AnalyzeIndirectGlobalMemory - We found an non-address-taken global variable
377 /// which holds a pointer type.  See if the global always points to non-aliased
378 /// heap memory: that is, all initializers of the globals are allocations, and
379 /// those allocations have no use other than initialization of the global.
380 /// Further, all loads out of GV must directly use the memory, not store the
381 /// pointer somewhere.  If this is true, we consider the memory pointed to by
382 /// GV to be owned by GV and can disambiguate other pointers from it.
383 bool GlobalsAAResult::AnalyzeIndirectGlobalMemory(GlobalVariable *GV) {
384   // Keep track of values related to the allocation of the memory, f.e. the
385   // value produced by the malloc call and any casts.
386   std::vector<Value *> AllocRelatedValues;
387
388   // If the initializer is a valid pointer, bail.
389   if (Constant *C = GV->getInitializer())
390     if (!C->isNullValue())
391       return false;
392     
393   // Walk the user list of the global.  If we find anything other than a direct
394   // load or store, bail out.
395   for (User *U : GV->users()) {
396     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
397       // The pointer loaded from the global can only be used in simple ways:
398       // we allow addressing of it and loading storing to it.  We do *not* allow
399       // storing the loaded pointer somewhere else or passing to a function.
400       if (AnalyzeUsesOfPointer(LI))
401         return false; // Loaded pointer escapes.
402       // TODO: Could try some IP mod/ref of the loaded pointer.
403     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
404       // Storing the global itself.
405       if (SI->getOperand(0) == GV)
406         return false;
407
408       // If storing the null pointer, ignore it.
409       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)))
410         continue;
411
412       // Check the value being stored.
413       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getOperand(0),
414                                        GV->getParent()->getDataLayout());
415
416       if (!isAllocLikeFn(Ptr, &TLI))
417         return false; // Too hard to analyze.
418
419       // Analyze all uses of the allocation.  If any of them are used in a
420       // non-simple way (e.g. stored to another global) bail out.
421       if (AnalyzeUsesOfPointer(Ptr, /*Readers*/ nullptr, /*Writers*/ nullptr,
422                                GV))
423         return false; // Loaded pointer escapes.
424
425       // Remember that this allocation is related to the indirect global.
426       AllocRelatedValues.push_back(Ptr);
427     } else {
428       // Something complex, bail out.
429       return false;
430     }
431   }
432
433   // Okay, this is an indirect global.  Remember all of the allocations for
434   // this global in AllocsForIndirectGlobals.
435   while (!AllocRelatedValues.empty()) {
436     AllocsForIndirectGlobals[AllocRelatedValues.back()] = GV;
437     Handles.emplace_front(*this, AllocRelatedValues.back());
438     Handles.front().I = Handles.begin();
439     AllocRelatedValues.pop_back();
440   }
441   IndirectGlobals.insert(GV);
442   Handles.emplace_front(*this, GV);
443   Handles.front().I = Handles.begin();
444   return true;
445 }
446
447 void GlobalsAAResult::CollectSCCMembership(CallGraph &CG) {  
448   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
449   // visit all callees before callers (leaf-first).
450   unsigned SCCID = 0;
451   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
452     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
453     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
454
455     for (auto *CGN : SCC)
456       if (Function *F = CGN->getFunction())
457         FunctionToSCCMap[F] = SCCID;
458     ++SCCID;
459   }
460 }
461
462 /// AnalyzeCallGraph - At this point, we know the functions where globals are
463 /// immediately stored to and read from.  Propagate this information up the call
464 /// graph to all callers and compute the mod/ref info for all memory for each
465 /// function.
466 void GlobalsAAResult::AnalyzeCallGraph(CallGraph &CG, Module &M) {
467   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
468   // visit all callees before callers (leaf-first).
469   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
470     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
471     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
472
473     if (!SCC[0]->getFunction() || SCC[0]->getFunction()->mayBeOverridden()) {
474       // Calls externally or is weak - can't say anything useful. Remove any existing
475       // function records (may have been created when scanning globals).
476       for (auto *Node : SCC)
477         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
478       continue;
479     }
480
481     FunctionInfo &FI = FunctionInfos[SCC[0]->getFunction()];
482     bool KnowNothing = false;
483
484     // Collect the mod/ref properties due to called functions.  We only compute
485     // one mod-ref set.
486     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e && !KnowNothing; ++i) {
487       Function *F = SCC[i]->getFunction();
488       if (!F) {
489         KnowNothing = true;
490         break;
491       }
492
493       if (F->isDeclaration()) {
494         // Try to get mod/ref behaviour from function attributes.
495         if (F->doesNotAccessMemory()) {
496           // Can't do better than that!
497         } else if (F->onlyReadsMemory()) {
498           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
499           if (!F->isIntrinsic())
500             // This function might call back into the module and read a global -
501             // consider every global as possibly being read by this function.
502             FI.setMayReadAnyGlobal();
503         } else {
504           FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
505           // Can't say anything useful unless it's an intrinsic - they don't
506           // read or write global variables of the kind considered here.
507           KnowNothing = !F->isIntrinsic();
508         }
509         continue;
510       }
511
512       for (CallGraphNode::iterator CI = SCC[i]->begin(), E = SCC[i]->end();
513            CI != E && !KnowNothing; ++CI)
514         if (Function *Callee = CI->second->getFunction()) {
515           if (FunctionInfo *CalleeFI = getFunctionInfo(Callee)) {
516             // Propagate function effect up.
517             FI.addFunctionInfo(*CalleeFI);
518           } else {
519             // Can't say anything about it.  However, if it is inside our SCC,
520             // then nothing needs to be done.
521             CallGraphNode *CalleeNode = CG[Callee];
522             if (std::find(SCC.begin(), SCC.end(), CalleeNode) == SCC.end())
523               KnowNothing = true;
524           }
525         } else {
526           KnowNothing = true;
527         }
528     }
529
530     // If we can't say anything useful about this SCC, remove all SCC functions
531     // from the FunctionInfos map.
532     if (KnowNothing) {
533       for (auto *Node : SCC)
534         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
535       continue;
536     }
537
538     // Scan the function bodies for explicit loads or stores.
539     for (auto *Node : SCC) {
540       if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
541         break; // The mod/ref lattice saturates here.
542       for (Instruction &I : instructions(Node->getFunction())) {
543         if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
544           break; // The mod/ref lattice saturates here.
545
546         // We handle calls specially because the graph-relevant aspects are
547         // handled above.
548         if (auto CS = CallSite(&I)) {
549           if (isAllocationFn(&I, &TLI) || isFreeCall(&I, &TLI)) {
550             // FIXME: It is completely unclear why this is necessary and not
551             // handled by the above graph code.
552             FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
553           } else if (Function *Callee = CS.getCalledFunction()) {
554             // The callgraph doesn't include intrinsic calls.
555             if (Callee->isIntrinsic()) {
556               FunctionModRefBehavior Behaviour =
557                   AAResultBase::getModRefBehavior(Callee);
558               FI.addModRefInfo(ModRefInfo(Behaviour & MRI_ModRef));
559             }
560           }
561           continue;
562         }
563
564         // All non-call instructions we use the primary predicates for whether
565         // thay read or write memory.
566         if (I.mayReadFromMemory())
567           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
568         if (I.mayWriteToMemory())
569           FI.addModRefInfo(MRI_Mod);
570       }
571     }
572
573     if ((FI.getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
574       ++NumReadMemFunctions;
575     if (FI.getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
576       ++NumNoMemFunctions;
577
578     // Finally, now that we know the full effect on this SCC, clone the
579     // information to each function in the SCC.
580     // FI is a reference into FunctionInfos, so copy it now so that it doesn't
581     // get invalidated if DenseMap decides to re-hash.
582     FunctionInfo CachedFI = FI;
583     for (unsigned i = 1, e = SCC.size(); i != e; ++i)
584       FunctionInfos[SCC[i]->getFunction()] = CachedFI;
585   }
586 }
587
588 // GV is a non-escaping global. V is a pointer address that has been loaded from.
589 // If we can prove that V must escape, we can conclude that a load from V cannot
590 // alias GV.
591 static bool isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(const GlobalValue *GV,
592                                                const Value *V,
593                                                int &Depth,
594                                                const DataLayout &DL) {
595   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
596   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
597   Visited.insert(V);
598   Inputs.push_back(V);
599   do {
600     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
601     
602     if (isa<GlobalValue>(Input) || isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
603         isa<InvokeInst>(Input))
604       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
605       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
606       // non-addr-taken globals.
607       //
608       // (Transitive) loads from a global are also safe - if this aliased
609       // another global, its address would escape, so no alias.
610       continue;
611
612     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
613     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
614     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
615     // for small depths.
616     if (++Depth > 4)
617       return false;
618
619     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
620       Inputs.push_back(GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL));
621       continue;
622     }  
623     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
624       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
625       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
626       if (Visited.insert(LHS).second)
627         Inputs.push_back(LHS);
628       if (Visited.insert(RHS).second)
629         Inputs.push_back(RHS);
630       continue;
631     }
632     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
633       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
634         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
635         if (Visited.insert(Op).second)
636           Inputs.push_back(Op);
637       }
638       continue;
639     }
640     
641     return false;
642   } while (!Inputs.empty());
643
644   // All inputs were known to be no-alias.
645   return true;
646 }
647
648 // There are particular cases where we can conclude no-alias between
649 // a non-addr-taken global and some other underlying object. Specifically,
650 // a non-addr-taken global is known to not be escaped from any function. It is
651 // also incorrect for a transformation to introduce an escape of a global in
652 // a way that is observable when it was not there previously. One function
653 // being transformed to introduce an escape which could possibly be observed
654 // (via loading from a global or the return value for example) within another
655 // function is never safe. If the observation is made through non-atomic
656 // operations on different threads, it is a data-race and UB. If the
657 // observation is well defined, by being observed the transformation would have
658 // changed program behavior by introducing the observed escape, making it an
659 // invalid transform.
660 //
661 // This property does require that transformations which *temporarily* escape
662 // a global that was not previously escaped, prior to restoring it, cannot rely
663 // on the results of GMR::alias. This seems a reasonable restriction, although
664 // currently there is no way to enforce it. There is also no realistic
665 // optimization pass that would make this mistake. The closest example is
666 // a transformation pass which does reg2mem of SSA values but stores them into
667 // global variables temporarily before restoring the global variable's value.
668 // This could be useful to expose "benign" races for example. However, it seems
669 // reasonable to require that a pass which introduces escapes of global
670 // variables in this way to either not trust AA results while the escape is
671 // active, or to be forced to operate as a module pass that cannot co-exist
672 // with an alias analysis such as GMR.
673 bool GlobalsAAResult::isNonEscapingGlobalNoAlias(const GlobalValue *GV,
674                                                  const Value *V) {
675   // In order to know that the underlying object cannot alias the
676   // non-addr-taken global, we must know that it would have to be an escape.
677   // Thus if the underlying object is a function argument, a load from
678   // a global, or the return of a function, it cannot alias. We can also
679   // recurse through PHI nodes and select nodes provided all of their inputs
680   // resolve to one of these known-escaping roots.
681   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
682   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
683   Visited.insert(V);
684   Inputs.push_back(V);
685   int Depth = 0;
686   do {
687     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
688
689     if (auto *InputGV = dyn_cast<GlobalValue>(Input)) {
690       // If one input is the very global we're querying against, then we can't
691       // conclude no-alias.
692       if (InputGV == GV)
693         return false;
694
695       // Distinct GlobalVariables never alias, unless overriden or zero-sized.
696       // FIXME: The condition can be refined, but be conservative for now.
697       auto *GVar = dyn_cast<GlobalVariable>(GV);
698       auto *InputGVar = dyn_cast<GlobalVariable>(InputGV);
699       if (GVar && InputGVar &&
700           !GVar->isDeclaration() && !InputGVar->isDeclaration() &&
701           !GVar->mayBeOverridden() && !InputGVar->mayBeOverridden()) {
702         Type *GVType = GVar->getInitializer()->getType();
703         Type *InputGVType = InputGVar->getInitializer()->getType();
704         if (GVType->isSized() && InputGVType->isSized() &&
705             (DL.getTypeAllocSize(GVType) > 0) &&
706             (DL.getTypeAllocSize(InputGVType) > 0))
707           continue;
708       }
709
710       // Conservatively return false, even though we could be smarter
711       // (e.g. look through GlobalAliases).
712       return false;
713     }
714
715     if (isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
716         isa<InvokeInst>(Input)) {
717       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
718       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
719       // non-addr-taken globals.
720       continue;
721     }
722     
723     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
724     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
725     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
726     // for small depths.
727     if (++Depth > 4)
728       return false;
729
730     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
731       // A pointer loaded from a global would have been captured, and we know
732       // that the global is non-escaping, so no alias.
733       const Value *Ptr = GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL);
734       if (isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(GV, Ptr, Depth, DL))
735         // The load does not alias with GV.
736         continue;
737       // Otherwise, a load could come from anywhere, so bail.
738       return false;
739     }
740     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
741       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
742       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
743       if (Visited.insert(LHS).second)
744         Inputs.push_back(LHS);
745       if (Visited.insert(RHS).second)
746         Inputs.push_back(RHS);
747       continue;
748     }
749     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
750       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
751         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
752         if (Visited.insert(Op).second)
753           Inputs.push_back(Op);
754       }
755       continue;
756     }
757
758     // FIXME: It would be good to handle other obvious no-alias cases here, but
759     // it isn't clear how to do so reasonbly without building a small version
760     // of BasicAA into this code. We could recurse into AAResultBase::alias
761     // here but that seems likely to go poorly as we're inside the
762     // implementation of such a query. Until then, just conservatievly retun
763     // false.
764     return false;
765   } while (!Inputs.empty());
766
767   // If all the inputs to V were definitively no-alias, then V is no-alias.
768   return true;
769 }
770
771 /// alias - If one of the pointers is to a global that we are tracking, and the
772 /// other is some random pointer, we know there cannot be an alias, because the
773 /// address of the global isn't taken.
774 AliasResult GlobalsAAResult::alias(const MemoryLocation &LocA,
775                                    const MemoryLocation &LocB) {
776   // Get the base object these pointers point to.
777   const Value *UV1 = GetUnderlyingObject(LocA.Ptr, DL);
778   const Value *UV2 = GetUnderlyingObject(LocB.Ptr, DL);
779
780   // If either of the underlying values is a global, they may be non-addr-taken
781   // globals, which we can answer queries about.
782   const GlobalValue *GV1 = dyn_cast<GlobalValue>(UV1);
783   const GlobalValue *GV2 = dyn_cast<GlobalValue>(UV2);
784   if (GV1 || GV2) {
785     // If the global's address is taken, pretend we don't know it's a pointer to
786     // the global.
787     if (GV1 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV1))
788       GV1 = nullptr;
789     if (GV2 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV2))
790       GV2 = nullptr;
791
792     // If the two pointers are derived from two different non-addr-taken
793     // globals we know these can't alias.
794     if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
795       return NoAlias;
796
797     // If one is and the other isn't, it isn't strictly safe but we can fake
798     // this result if necessary for performance. This does not appear to be
799     // a common problem in practice.
800     if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
801       if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
802         return NoAlias;
803
804     // Check for a special case where a non-escaping global can be used to
805     // conclude no-alias.
806     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2) {
807       const GlobalValue *GV = GV1 ? GV1 : GV2;
808       const Value *UV = GV1 ? UV2 : UV1;
809       if (isNonEscapingGlobalNoAlias(GV, UV))
810         return NoAlias;
811     }
812
813     // Otherwise if they are both derived from the same addr-taken global, we
814     // can't know the two accesses don't overlap.
815   }
816
817   // These pointers may be based on the memory owned by an indirect global.  If
818   // so, we may be able to handle this.  First check to see if the base pointer
819   // is a direct load from an indirect global.
820   GV1 = GV2 = nullptr;
821   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV1))
822     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
823       if (IndirectGlobals.count(GV))
824         GV1 = GV;
825   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV2))
826     if (const GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
827       if (IndirectGlobals.count(GV))
828         GV2 = GV;
829
830   // These pointers may also be from an allocation for the indirect global.  If
831   // so, also handle them.
832   if (!GV1)
833     GV1 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV1);
834   if (!GV2)
835     GV2 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV2);
836
837   // Now that we know whether the two pointers are related to indirect globals,
838   // use this to disambiguate the pointers. If the pointers are based on
839   // different indirect globals they cannot alias.
840   if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
841     return NoAlias;
842
843   // If one is based on an indirect global and the other isn't, it isn't
844   // strictly safe but we can fake this result if necessary for performance.
845   // This does not appear to be a common problem in practice.
846   if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
847     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
848       return NoAlias;
849
850   return AAResultBase::alias(LocA, LocB);
851 }
852
853 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfoForArgument(ImmutableCallSite CS,
854                                                      const GlobalValue *GV) {
855   if (CS.doesNotAccessMemory())
856     return MRI_NoModRef;
857   ModRefInfo ConservativeResult = CS.onlyReadsMemory() ? MRI_Ref : MRI_ModRef;
858   
859   // Iterate through all the arguments to the called function. If any argument
860   // is based on GV, return the conservative result.
861   for (auto &A : CS.args()) {
862     SmallVector<Value*, 4> Objects;
863     GetUnderlyingObjects(A, Objects, DL);
864     
865     // All objects must be identified.
866     if (!std::all_of(Objects.begin(), Objects.end(), isIdentifiedObject))
867       return ConservativeResult;
868
869     if (std::find(Objects.begin(), Objects.end(), GV) != Objects.end())
870       return ConservativeResult;
871   }
872
873   // We identified all objects in the argument list, and none of them were GV.
874   return MRI_NoModRef;
875 }
876
877 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
878                                           const MemoryLocation &Loc) {
879   unsigned Known = MRI_ModRef;
880
881   // If we are asking for mod/ref info of a direct call with a pointer to a
882   // global we are tracking, return information if we have it.
883   if (const GlobalValue *GV =
884           dyn_cast<GlobalValue>(GetUnderlyingObject(Loc.Ptr, DL)))
885     if (GV->hasLocalLinkage())
886       if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
887         if (NonAddressTakenGlobals.count(GV))
888           if (const FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F))
889             Known = FI->getModRefInfoForGlobal(*GV) |
890               getModRefInfoForArgument(CS, GV);
891
892   if (Known == MRI_NoModRef)
893     return MRI_NoModRef; // No need to query other mod/ref analyses
894   return ModRefInfo(Known & AAResultBase::getModRefInfo(CS, Loc));
895 }
896
897 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(const DataLayout &DL,
898                                  const TargetLibraryInfo &TLI)
899     : AAResultBase(TLI), DL(DL) {}
900
901 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(GlobalsAAResult &&Arg)
902     : AAResultBase(std::move(Arg)), DL(Arg.DL),
903       NonAddressTakenGlobals(std::move(Arg.NonAddressTakenGlobals)),
904       IndirectGlobals(std::move(Arg.IndirectGlobals)),
905       AllocsForIndirectGlobals(std::move(Arg.AllocsForIndirectGlobals)),
906       FunctionInfos(std::move(Arg.FunctionInfos)),
907       Handles(std::move(Arg.Handles)) {
908   // Update the parent for each DeletionCallbackHandle.
909   for (auto &H : Handles) {
910     assert(H.GAR == &Arg);
911     H.GAR = this;
912   }
913 }
914
915 /*static*/ GlobalsAAResult
916 GlobalsAAResult::analyzeModule(Module &M, const TargetLibraryInfo &TLI,
917                                CallGraph &CG) {
918   GlobalsAAResult Result(M.getDataLayout(), TLI);
919
920   // Discover which functions aren't recursive, to feed into AnalyzeGlobals.
921   Result.CollectSCCMembership(CG);
922
923   // Find non-addr taken globals.
924   Result.AnalyzeGlobals(M);
925
926   // Propagate on CG.
927   Result.AnalyzeCallGraph(CG, M);
928
929   return Result;
930 }
931
932 GlobalsAAResult GlobalsAA::run(Module &M, AnalysisManager<Module> *AM) {
933   return GlobalsAAResult::analyzeModule(M,
934                                         AM->getResult<TargetLibraryAnalysis>(M),
935                                         AM->getResult<CallGraphAnalysis>(M));
936 }
937
938 char GlobalsAA::PassID;
939
940 char GlobalsAAWrapperPass::ID = 0;
941 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
942                       "Globals Alias Analysis", false, true)
943 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
944 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
945 INITIALIZE_PASS_END(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
946                     "Globals Alias Analysis", false, true)
947
948 ModulePass *llvm::createGlobalsAAWrapperPass() {
949   return new GlobalsAAWrapperPass();
950 }
951
952 GlobalsAAWrapperPass::GlobalsAAWrapperPass() : ModulePass(ID) {
953   initializeGlobalsAAWrapperPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
954 }
955
956 bool GlobalsAAWrapperPass::runOnModule(Module &M) {
957   Result.reset(new GlobalsAAResult(GlobalsAAResult::analyzeModule(
958       M, getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI(),
959       getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph())));
960   return false;
961 }
962
963 bool GlobalsAAWrapperPass::doFinalization(Module &M) {
964   Result.reset();
965   return false;
966 }
967
968 void GlobalsAAWrapperPass::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
969   AU.setPreservesAll();
970   AU.addRequired<CallGraphWrapperPass>();
971   AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
972 }