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.isCallee(&U)) {
 357         // Detect calls to free.
 358         if (isFreeCall(I, &TLI)) {
 359           if (Writers)
 360             Writers->insert(CS->getParent()->getParent());
 361         } else if (CS.doesNotCapture(CS.getArgumentNo(&U))) {
 362           Function *ParentF = CS->getParent()->getParent();
 363           // A nocapture argument may be read from or written to, but does not
 364           // escape unless the call can somehow recurse.
 365           //
 366           // nocapture "indicates that the callee does not make any copies of
 367           // the pointer that outlive itself". Therefore if we directly or
 368           // indirectly recurse, we must treat the pointer as escaping.
 369           if (FunctionToSCCMap[ParentF] ==
 370               FunctionToSCCMap[CS.getCalledFunction()])
 371             return true;
 372           if (Readers)
 373             Readers->insert(ParentF);
 374           if (Writers)
 375             Writers->insert(ParentF);
 376         } else {
 377           return true; // Argument of an unknown call.
 378         }
 379       }
 380     } else if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(I)) {
 381       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
 382         return true; // Allow comparison against null.
 383     } else {
 384       return true;
 385     }
 386   }
 387
 388   return false;
 389 }
 390
 391 /// AnalyzeIndirectGlobalMemory - We found an non-address-taken global variable
 392 /// which holds a pointer type.  See if the global always points to non-aliased
 393 /// heap memory: that is, all initializers of the globals are allocations, and
 394 /// those allocations have no use other than initialization of the global.
 395 /// Further, all loads out of GV must directly use the memory, not store the
 396 /// pointer somewhere.  If this is true, we consider the memory pointed to by
 397 /// GV to be owned by GV and can disambiguate other pointers from it.
 398 bool GlobalsAAResult::AnalyzeIndirectGlobalMemory(GlobalValue *GV) {
 399   // Keep track of values related to the allocation of the memory, f.e. the
 400   // value produced by the malloc call and any casts.
 401   std::vector<Value *> AllocRelatedValues;
 402
 403   // Walk the user list of the global.  If we find anything other than a direct
 404   // load or store, bail out.
 405   for (User *U : GV->users()) {
 406     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
 407       // The pointer loaded from the global can only be used in simple ways:
 408       // we allow addressing of it and loading storing to it.  We do *not* allow
 409       // storing the loaded pointer somewhere else or passing to a function.
 410       if (AnalyzeUsesOfPointer(LI))
 411         return false; // Loaded pointer escapes.
 412       // TODO: Could try some IP mod/ref of the loaded pointer.
 413     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
 414       // Storing the global itself.
 415       if (SI->getOperand(0) == GV)
 416         return false;
 417
 418       // If storing the null pointer, ignore it.
 419       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)))
 420         continue;
 421
 422       // Check the value being stored.
 423       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getOperand(0),
 424                                        GV->getParent()->getDataLayout());
 425
 426       if (!isAllocLikeFn(Ptr, &TLI))
 427         return false; // Too hard to analyze.
 428
 429       // Analyze all uses of the allocation.  If any of them are used in a
 430       // non-simple way (e.g. stored to another global) bail out.
 431       if (AnalyzeUsesOfPointer(Ptr, /*Readers*/ nullptr, /*Writers*/ nullptr,
 432                                GV))
 433         return false; // Loaded pointer escapes.
 434
 435       // Remember that this allocation is related to the indirect global.
 436       AllocRelatedValues.push_back(Ptr);
 437     } else {
 438       // Something complex, bail out.
 439       return false;
 440     }
 441   }
 442
 443   // Okay, this is an indirect global.  Remember all of the allocations for
 444   // this global in AllocsForIndirectGlobals.
 445   while (!AllocRelatedValues.empty()) {
 446     AllocsForIndirectGlobals[AllocRelatedValues.back()] = GV;
 447     Handles.emplace_front(*this, AllocRelatedValues.back());
 448     Handles.front().I = Handles.begin();
 449     AllocRelatedValues.pop_back();
 450   }
 451   IndirectGlobals.insert(GV);
 452   Handles.emplace_front(*this, GV);
 453   Handles.front().I = Handles.begin();
 454   return true;
 455 }
 456
 457 void GlobalsAAResult::CollectSCCMembership(CallGraph &CG) {
 458   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
 459   // visit all callees before callers (leaf-first).
 460   unsigned SCCID = 0;
 461   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
 462     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
 463     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
 464
 465     for (auto *CGN : SCC)
 466       if (Function *F = CGN->getFunction())
 467         FunctionToSCCMap[F] = SCCID;
 468     ++SCCID;
 469   }
 470 }
 471
 472 /// AnalyzeCallGraph - At this point, we know the functions where globals are
 473 /// immediately stored to and read from.  Propagate this information up the call
 474 /// graph to all callers and compute the mod/ref info for all memory for each
 475 /// function.
 476 void GlobalsAAResult::AnalyzeCallGraph(CallGraph &CG, Module &M) {
 477   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
 478   // visit all callees before callers (leaf-first).
 479   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
 480     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
 481     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
 482
 483     if (!SCC[0]->getFunction() || SCC[0]->getFunction()->mayBeOverridden()) {
 484       // Calls externally or is weak - can't say anything useful. Remove any existing
 485       // function records (may have been created when scanning globals).
 486       for (auto *Node : SCC)
 487         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
 488       continue;
 489     }
 490
 491     FunctionInfo &FI = FunctionInfos[SCC[0]->getFunction()];
 492     bool KnowNothing = false;
 493
 494     // Collect the mod/ref properties due to called functions.  We only compute
 495     // one mod-ref set.
 496     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e && !KnowNothing; ++i) {
 497       Function *F = SCC[i]->getFunction();
 498       if (!F) {
 499         KnowNothing = true;
 500         break;
 501       }
 502
 503       if (F->isDeclaration()) {
 504         // Try to get mod/ref behaviour from function attributes.
 505         if (F->doesNotAccessMemory()) {
 506           // Can't do better than that!
 507         } else if (F->onlyReadsMemory()) {
 508           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
 509           if (!F->isIntrinsic())
 510             // This function might call back into the module and read a global -
 511             // consider every global as possibly being read by this function.
 512             FI.setMayReadAnyGlobal();
 513         } else {
 514           FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
 515           // Can't say anything useful unless it's an intrinsic - they don't
 516           // read or write global variables of the kind considered here.
 517           KnowNothing = !F->isIntrinsic();
 518         }
 519         continue;
 520       }
 521
 522       for (CallGraphNode::iterator CI = SCC[i]->begin(), E = SCC[i]->end();
 523            CI != E && !KnowNothing; ++CI)
 524         if (Function *Callee = CI->second->getFunction()) {
 525           if (FunctionInfo *CalleeFI = getFunctionInfo(Callee)) {
 526             // Propagate function effect up.
 527             FI.addFunctionInfo(*CalleeFI);
 528           } else {
 529             // Can't say anything about it.  However, if it is inside our SCC,
 530             // then nothing needs to be done.
 531             CallGraphNode *CalleeNode = CG[Callee];
 532             if (std::find(SCC.begin(), SCC.end(), CalleeNode) == SCC.end())
 533               KnowNothing = true;
 534           }
 535         } else {
 536           KnowNothing = true;
 537         }
 538     }
 539
 540     // If we can't say anything useful about this SCC, remove all SCC functions
 541     // from the FunctionInfos map.
 542     if (KnowNothing) {
 543       for (auto *Node : SCC)
 544         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
 545       continue;
 546     }
 547
 548     // Scan the function bodies for explicit loads or stores.
 549     for (auto *Node : SCC) {
 550       if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
 551         break; // The mod/ref lattice saturates here.
 552       for (Instruction &I : instructions(Node->getFunction())) {
 553         if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
 554           break; // The mod/ref lattice saturates here.
 555
 556         // We handle calls specially because the graph-relevant aspects are
 557         // handled above.
 558         if (auto CS = CallSite(&I)) {
 559           if (isAllocationFn(&I, &TLI) || isFreeCall(&I, &TLI)) {
 560             // FIXME: It is completely unclear why this is necessary and not
 561             // handled by the above graph code.
 562             FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
 563           } else if (Function *Callee = CS.getCalledFunction()) {
 564             // The callgraph doesn't include intrinsic calls.
 565             if (Callee->isIntrinsic()) {
 566               FunctionModRefBehavior Behaviour =
 567                   AAResultBase::getModRefBehavior(Callee);
 568               FI.addModRefInfo(ModRefInfo(Behaviour & MRI_ModRef));
 569             }
 570           }
 571           continue;
 572         }
 573
 574         // All non-call instructions we use the primary predicates for whether
 575         // thay read or write memory.
 576         if (I.mayReadFromMemory())
 577           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
 578         if (I.mayWriteToMemory())
 579           FI.addModRefInfo(MRI_Mod);
 580       }
 581     }
 582
 583     if ((FI.getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
 584       ++NumReadMemFunctions;
 585     if (FI.getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
 586       ++NumNoMemFunctions;
 587
 588     // Finally, now that we know the full effect on this SCC, clone the
 589     // information to each function in the SCC.
 590     // FI is a reference into FunctionInfos, so copy it now so that it doesn't
 591     // get invalidated if DenseMap decides to re-hash.
 592     FunctionInfo CachedFI = FI;
 593     for (unsigned i = 1, e = SCC.size(); i != e; ++i)
 594       FunctionInfos[SCC[i]->getFunction()] = CachedFI;
 595   }
 596 }
 597
 598 // GV is a non-escaping global. V is a pointer address that has been loaded from.
 599 // If we can prove that V must escape, we can conclude that a load from V cannot
 600 // alias GV.
 601 static bool isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(const GlobalValue *GV,
 602                                                const Value *V,
 603                                                int &Depth,
 604                                                const DataLayout &DL) {
 605   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
 606   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
 607   Visited.insert(V);
 608   Inputs.push_back(V);
 609   do {
 610     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
 611
 612     if (isa<GlobalValue>(Input) || isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
 613         isa<InvokeInst>(Input))
 614       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
 615       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
 616       // non-addr-taken globals.
 617       //
 618       // (Transitive) loads from a global are also safe - if this aliased
 619       // another global, its address would escape, so no alias.
 620       continue;
 621
 622     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
 623     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
 624     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
 625     // for small depths.
 626     if (++Depth > 4)
 627       return false;
 628
 629     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
 630       Inputs.push_back(GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL));
 631       continue;
 632     }
 633     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
 634       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
 635       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
 636       if (Visited.insert(LHS).second)
 637         Inputs.push_back(LHS);
 638       if (Visited.insert(RHS).second)
 639         Inputs.push_back(RHS);
 640       continue;
 641     }
 642     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
 643       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
 644         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
 645         if (Visited.insert(Op).second)
 646           Inputs.push_back(Op);
 647       }
 648       continue;
 649     }
 650
 651     return false;
 652   } while (!Inputs.empty());
 653
 654   // All inputs were known to be no-alias.
 655   return true;
 656 }
 657
 658 // There are particular cases where we can conclude no-alias between
 659 // a non-addr-taken global and some other underlying object. Specifically,
 660 // a non-addr-taken global is known to not be escaped from any function. It is
 661 // also incorrect for a transformation to introduce an escape of a global in
 662 // a way that is observable when it was not there previously. One function
 663 // being transformed to introduce an escape which could possibly be observed
 664 // (via loading from a global or the return value for example) within another
 665 // function is never safe. If the observation is made through non-atomic
 666 // operations on different threads, it is a data-race and UB. If the
 667 // observation is well defined, by being observed the transformation would have
 668 // changed program behavior by introducing the observed escape, making it an
 669 // invalid transform.
 670 //
 671 // This property does require that transformations which *temporarily* escape
 672 // a global that was not previously escaped, prior to restoring it, cannot rely
 673 // on the results of GMR::alias. This seems a reasonable restriction, although
 674 // currently there is no way to enforce it. There is also no realistic
 675 // optimization pass that would make this mistake. The closest example is
 676 // a transformation pass which does reg2mem of SSA values but stores them into
 677 // global variables temporarily before restoring the global variable's value.
 678 // This could be useful to expose "benign" races for example. However, it seems
 679 // reasonable to require that a pass which introduces escapes of global
 680 // variables in this way to either not trust AA results while the escape is
 681 // active, or to be forced to operate as a module pass that cannot co-exist
 682 // with an alias analysis such as GMR.
 683 bool GlobalsAAResult::isNonEscapingGlobalNoAlias(const GlobalValue *GV,
 684                                                  const Value *V) {
 685   // In order to know that the underlying object cannot alias the
 686   // non-addr-taken global, we must know that it would have to be an escape.
 687   // Thus if the underlying object is a function argument, a load from
 688   // a global, or the return of a function, it cannot alias. We can also
 689   // recurse through PHI nodes and select nodes provided all of their inputs
 690   // resolve to one of these known-escaping roots.
 691   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
 692   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
 693   Visited.insert(V);
 694   Inputs.push_back(V);
 695   int Depth = 0;
 696   do {
 697     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
 698
 699     if (auto *InputGV = dyn_cast<GlobalValue>(Input)) {
 700       // If one input is the very global we're querying against, then we can't
 701       // conclude no-alias.
 702       if (InputGV == GV)
 703         return false;
 704
 705       // Distinct GlobalVariables never alias, unless overriden or zero-sized.
 706       // FIXME: The condition can be refined, but be conservative for now.
 707       auto *GVar = dyn_cast<GlobalVariable>(GV);
 708       auto *InputGVar = dyn_cast<GlobalVariable>(InputGV);
 709       if (GVar && InputGVar &&
 710           !GVar->isDeclaration() && !InputGVar->isDeclaration() &&
 711           !GVar->mayBeOverridden() && !InputGVar->mayBeOverridden()) {
 712         Type *GVType = GVar->getInitializer()->getType();
 713         Type *InputGVType = InputGVar->getInitializer()->getType();
 714         if (GVType->isSized() && InputGVType->isSized() &&
 715             (DL.getTypeAllocSize(GVType) > 0) &&
 716             (DL.getTypeAllocSize(InputGVType) > 0))
 717           continue;
 718       }
 719
 720       // Conservatively return false, even though we could be smarter
 721       // (e.g. look through GlobalAliases).
 722       return false;
 723     }
 724
 725     if (isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
 726         isa<InvokeInst>(Input)) {
 727       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
 728       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
 729       // non-addr-taken globals.
 730       continue;
 731     }
 732
 733     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
 734     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
 735     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
 736     // for small depths.
 737     if (++Depth > 4)
 738       return false;
 739
 740     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
 741       // A pointer loaded from a global would have been captured, and we know
 742       // that the global is non-escaping, so no alias.
 743       const Value *Ptr = GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL);
 744       if (isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(GV, Ptr, Depth, DL))
 745         // The load does not alias with GV.
 746         continue;
 747       // Otherwise, a load could come from anywhere, so bail.
 748       return false;
 749     }
 750     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
 751       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
 752       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
 753       if (Visited.insert(LHS).second)
 754         Inputs.push_back(LHS);
 755       if (Visited.insert(RHS).second)
 756         Inputs.push_back(RHS);
 757       continue;
 758     }
 759     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
 760       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
 761         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
 762         if (Visited.insert(Op).second)
 763           Inputs.push_back(Op);
 764       }
 765       continue;
 766     }
 767
 768     // FIXME: It would be good to handle other obvious no-alias cases here, but
 769     // it isn't clear how to do so reasonbly without building a small version
 770     // of BasicAA into this code. We could recurse into AAResultBase::alias
 771     // here but that seems likely to go poorly as we're inside the
 772     // implementation of such a query. Until then, just conservatievly retun
 773     // false.
 774     return false;
 775   } while (!Inputs.empty());
 776
 777   // If all the inputs to V were definitively no-alias, then V is no-alias.
 778   return true;
 779 }
 780
 781 /// alias - If one of the pointers is to a global that we are tracking, and the
 782 /// other is some random pointer, we know there cannot be an alias, because the
 783 /// address of the global isn't taken.
 784 AliasResult GlobalsAAResult::alias(const MemoryLocation &LocA,
 785                                    const MemoryLocation &LocB) {
 786   // Get the base object these pointers point to.
 787   const Value *UV1 = GetUnderlyingObject(LocA.Ptr, DL);
 788   const Value *UV2 = GetUnderlyingObject(LocB.Ptr, DL);
 789
 790   // If either of the underlying values is a global, they may be non-addr-taken
 791   // globals, which we can answer queries about.
 792   const GlobalValue *GV1 = dyn_cast<GlobalValue>(UV1);
 793   const GlobalValue *GV2 = dyn_cast<GlobalValue>(UV2);
 794   if (GV1 || GV2) {
 795     // If the global's address is taken, pretend we don't know it's a pointer to
 796     // the global.
 797     if (GV1 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV1))
 798       GV1 = nullptr;
 799     if (GV2 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV2))
 800       GV2 = nullptr;
 801
 802     // If the two pointers are derived from two different non-addr-taken
 803     // globals we know these can't alias.
 804     if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
 805       return NoAlias;
 806
 807     // If one is and the other isn't, it isn't strictly safe but we can fake
 808     // this result if necessary for performance. This does not appear to be
 809     // a common problem in practice.
 810     if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
 811       if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
 812         return NoAlias;
 813
 814     // Check for a special case where a non-escaping global can be used to
 815     // conclude no-alias.
 816     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2) {
 817       const GlobalValue *GV = GV1 ? GV1 : GV2;
 818       const Value *UV = GV1 ? UV2 : UV1;
 819       if (isNonEscapingGlobalNoAlias(GV, UV))
 820         return NoAlias;
 821     }
 822
 823     // Otherwise if they are both derived from the same addr-taken global, we
 824     // can't know the two accesses don't overlap.
 825   }
 826
 827   // These pointers may be based on the memory owned by an indirect global.  If
 828   // so, we may be able to handle this.  First check to see if the base pointer
 829   // is a direct load from an indirect global.
 830   GV1 = GV2 = nullptr;
 831   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV1))
 832     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
 833       if (IndirectGlobals.count(GV))
 834         GV1 = GV;
 835   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV2))
 836     if (const GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
 837       if (IndirectGlobals.count(GV))
 838         GV2 = GV;
 839
 840   // These pointers may also be from an allocation for the indirect global.  If
 841   // so, also handle them.
 842   if (!GV1)
 843     GV1 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV1);
 844   if (!GV2)
 845     GV2 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV2);
 846
 847   // Now that we know whether the two pointers are related to indirect globals,
 848   // use this to disambiguate the pointers. If the pointers are based on
 849   // different indirect globals they cannot alias.
 850   if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
 851     return NoAlias;
 852
 853   // If one is based on an indirect global and the other isn't, it isn't
 854   // strictly safe but we can fake this result if necessary for performance.
 855   // This does not appear to be a common problem in practice.
 856   if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
 857     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
 858       return NoAlias;
 859
 860   return AAResultBase::alias(LocA, LocB);
 861 }
 862
 863 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfoForArgument(ImmutableCallSite CS,
 864                                                      const GlobalValue *GV) {
 865   if (CS.doesNotAccessMemory())
 866     return MRI_NoModRef;
 867   ModRefInfo ConservativeResult = CS.onlyReadsMemory() ? MRI_Ref : MRI_ModRef;
 868
 869   // Iterate through all the arguments to the called function. If any argument
 870   // is based on GV, return the conservative result.
 871   for (auto &A : CS.args()) {
 872     SmallVector<Value*, 4> Objects;
 873     GetUnderlyingObjects(A, Objects, DL);
 874
 875     // All objects must be identified.
 876     if (!std::all_of(Objects.begin(), Objects.end(), [&GV](const Value *V) {
 877           return isIdentifiedObject(V);
 878         }))
 879       return ConservativeResult;
 880
 881     if (std::find(Objects.begin(), Objects.end(), GV) != Objects.end())
 882       return ConservativeResult;
 883   }
 884
 885   // We identified all objects in the argument list, and none of them were GV.
 886   return MRI_NoModRef;
 887 }
 888
 889 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
 890                                           const MemoryLocation &Loc) {
 891   unsigned Known = MRI_ModRef;
 892
 893   // If we are asking for mod/ref info of a direct call with a pointer to a
 894   // global we are tracking, return information if we have it.
 895   if (const GlobalValue *GV =
 896           dyn_cast<GlobalValue>(GetUnderlyingObject(Loc.Ptr, DL)))
 897     if (GV->hasLocalLinkage())
 898       if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
 899         if (NonAddressTakenGlobals.count(GV))
 900           if (const FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F))
 901             Known = FI->getModRefInfoForGlobal(*GV) |
 902               getModRefInfoForArgument(CS, GV);
 903
 904   if (Known == MRI_NoModRef)
 905     return MRI_NoModRef; // No need to query other mod/ref analyses
 906   return ModRefInfo(Known & AAResultBase::getModRefInfo(CS, Loc));
 907 }
 908
 909 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(const DataLayout &DL,
 910                                  const TargetLibraryInfo &TLI)
 911     : AAResultBase(TLI), DL(DL) {}
 912
 913 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(GlobalsAAResult &&Arg)
 914     : AAResultBase(std::move(Arg)), DL(Arg.DL),
 915       NonAddressTakenGlobals(std::move(Arg.NonAddressTakenGlobals)),
 916       IndirectGlobals(std::move(Arg.IndirectGlobals)),
 917       AllocsForIndirectGlobals(std::move(Arg.AllocsForIndirectGlobals)),
 918       FunctionInfos(std::move(Arg.FunctionInfos)),
 919       Handles(std::move(Arg.Handles)) {
 920   // Update the parent for each DeletionCallbackHandle.
 921   for (auto &H : Handles) {
 922     assert(H.GAR == &Arg);
 923     H.GAR = this;
 924   }
 925 }
 926
 927 /*static*/ GlobalsAAResult
 928 GlobalsAAResult::analyzeModule(Module &M, const TargetLibraryInfo &TLI,
 929                                CallGraph &CG) {
 930   GlobalsAAResult Result(M.getDataLayout(), TLI);
 931
 932   // Discover which functions aren't recursive, to feed into AnalyzeGlobals.
 933   Result.CollectSCCMembership(CG);
 934
 935   // Find non-addr taken globals.
 936   Result.AnalyzeGlobals(M);
 937
 938   // Propagate on CG.
 939   Result.AnalyzeCallGraph(CG, M);
 940
 941   return Result;
 942 }
 943
 944 GlobalsAAResult GlobalsAA::run(Module &M, AnalysisManager<Module> *AM) {
 945   return GlobalsAAResult::analyzeModule(M,
 946                                         AM->getResult<TargetLibraryAnalysis>(M),
 947                                         AM->getResult<CallGraphAnalysis>(M));
 948 }
 949
 950 char GlobalsAA::PassID;
 951
 952 char GlobalsAAWrapperPass::ID = 0;
 953 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
 954                       "Globals Alias Analysis", false, true)
 955 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
 956 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
 957 INITIALIZE_PASS_END(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
 958                     "Globals Alias Analysis", false, true)
 959
 960 ModulePass *llvm::createGlobalsAAWrapperPass() {
 961   return new GlobalsAAWrapperPass();
 962 }
 963
 964 GlobalsAAWrapperPass::GlobalsAAWrapperPass() : ModulePass(ID) {
 965   initializeGlobalsAAWrapperPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 966 }
 967
 968 bool GlobalsAAWrapperPass::runOnModule(Module &M) {
 969   Result.reset(new GlobalsAAResult(GlobalsAAResult::analyzeModule(
 970       M, getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI(),
 971       getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph())));
 972   return false;
 973 }
 974
 975 bool GlobalsAAWrapperPass::doFinalization(Module &M) {
 976   Result.reset();
 977   return false;
 978 }
 979
 980 void GlobalsAAWrapperPass::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 981   AU.setPreservesAll();
 982   AU.addRequired<CallGraphWrapperPass>();
 983   AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
 984 }