51a83d5327719519d73aeca0d091a8c1b88f0528
[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.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         // If the Callee is not ReadNone, it may read the global,
380         // and if it is not ReadOnly, it may also write to it.
381         Function *CalleeF = CS.getCalledFunction();
382         if (!CalleeF->doesNotAccessMemory()) {
383           if (Readers)
384             Readers->insert(CalleeF);
385           if (Writers && !CalleeF->onlyReadsMemory())
386             Writers->insert(CalleeF);
387         }
388       }
389     } else if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(I)) {
390       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
391         return true; // Allow comparison against null.
392     } else {
393       return true;
394     }
395   }
396
397   return false;
398 }
399
400 /// AnalyzeIndirectGlobalMemory - We found an non-address-taken global variable
401 /// which holds a pointer type.  See if the global always points to non-aliased
402 /// heap memory: that is, all initializers of the globals are allocations, and
403 /// those allocations have no use other than initialization of the global.
404 /// Further, all loads out of GV must directly use the memory, not store the
405 /// pointer somewhere.  If this is true, we consider the memory pointed to by
406 /// GV to be owned by GV and can disambiguate other pointers from it.
407 bool GlobalsAAResult::AnalyzeIndirectGlobalMemory(GlobalVariable *GV) {
408   // Keep track of values related to the allocation of the memory, f.e. the
409   // value produced by the malloc call and any casts.
410   std::vector<Value *> AllocRelatedValues;
411
412   // If the initializer is a valid pointer, bail.
413   if (Constant *C = GV->getInitializer())
414     if (!C->isNullValue())
415       return false;
416     
417   // Walk the user list of the global.  If we find anything other than a direct
418   // load or store, bail out.
419   for (User *U : GV->users()) {
420     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
421       // The pointer loaded from the global can only be used in simple ways:
422       // we allow addressing of it and loading storing to it.  We do *not* allow
423       // storing the loaded pointer somewhere else or passing to a function.
424       if (AnalyzeUsesOfPointer(LI))
425         return false; // Loaded pointer escapes.
426       // TODO: Could try some IP mod/ref of the loaded pointer.
427     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
428       // Storing the global itself.
429       if (SI->getOperand(0) == GV)
430         return false;
431
432       // If storing the null pointer, ignore it.
433       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)))
434         continue;
435
436       // Check the value being stored.
437       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getOperand(0),
438                                        GV->getParent()->getDataLayout());
439
440       if (!isAllocLikeFn(Ptr, &TLI))
441         return false; // Too hard to analyze.
442
443       // Analyze all uses of the allocation.  If any of them are used in a
444       // non-simple way (e.g. stored to another global) bail out.
445       if (AnalyzeUsesOfPointer(Ptr, /*Readers*/ nullptr, /*Writers*/ nullptr,
446                                GV))
447         return false; // Loaded pointer escapes.
448
449       // Remember that this allocation is related to the indirect global.
450       AllocRelatedValues.push_back(Ptr);
451     } else {
452       // Something complex, bail out.
453       return false;
454     }
455   }
456
457   // Okay, this is an indirect global.  Remember all of the allocations for
458   // this global in AllocsForIndirectGlobals.
459   while (!AllocRelatedValues.empty()) {
460     AllocsForIndirectGlobals[AllocRelatedValues.back()] = GV;
461     Handles.emplace_front(*this, AllocRelatedValues.back());
462     Handles.front().I = Handles.begin();
463     AllocRelatedValues.pop_back();
464   }
465   IndirectGlobals.insert(GV);
466   Handles.emplace_front(*this, GV);
467   Handles.front().I = Handles.begin();
468   return true;
469 }
470
471 void GlobalsAAResult::CollectSCCMembership(CallGraph &CG) {  
472   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
473   // visit all callees before callers (leaf-first).
474   unsigned SCCID = 0;
475   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
476     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
477     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
478
479     for (auto *CGN : SCC)
480       if (Function *F = CGN->getFunction())
481         FunctionToSCCMap[F] = SCCID;
482     ++SCCID;
483   }
484 }
485
486 /// AnalyzeCallGraph - At this point, we know the functions where globals are
487 /// immediately stored to and read from.  Propagate this information up the call
488 /// graph to all callers and compute the mod/ref info for all memory for each
489 /// function.
490 void GlobalsAAResult::AnalyzeCallGraph(CallGraph &CG, Module &M) {
491   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
492   // visit all callees before callers (leaf-first).
493   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
494     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
495     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
496
497     if (!SCC[0]->getFunction() || SCC[0]->getFunction()->mayBeOverridden()) {
498       // Calls externally or is weak - can't say anything useful. Remove any existing
499       // function records (may have been created when scanning globals).
500       for (auto *Node : SCC)
501         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
502       continue;
503     }
504
505     FunctionInfo &FI = FunctionInfos[SCC[0]->getFunction()];
506     bool KnowNothing = false;
507
508     // Collect the mod/ref properties due to called functions.  We only compute
509     // one mod-ref set.
510     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e && !KnowNothing; ++i) {
511       Function *F = SCC[i]->getFunction();
512       if (!F) {
513         KnowNothing = true;
514         break;
515       }
516
517       if (F->isDeclaration()) {
518         // Try to get mod/ref behaviour from function attributes.
519         if (F->doesNotAccessMemory() || F->onlyAccessesInaccessibleMemory()) {
520           // Can't do better than that!
521         } else if (F->onlyReadsMemory()) {
522           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
523           if (!F->isIntrinsic())
524             // This function might call back into the module and read a global -
525             // consider every global as possibly being read by this function.
526             FI.setMayReadAnyGlobal();
527         } else if (F->onlyAccessesArgMemory() || 
528                    F->onlyAccessesInaccessibleMemOrArgMem()) {
529           // This function may only access (read/write) memory pointed to by its
530           // arguments. If this pointer is to a global, this escaping use of the
531           // pointer is captured in AnalyzeUsesOfPointer().
532           FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
533         } else {
534           FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
535           // Can't say anything useful unless it's an intrinsic - they don't
536           // read or write global variables of the kind considered here.
537           KnowNothing = !F->isIntrinsic();
538         }
539         continue;
540       }
541
542       for (CallGraphNode::iterator CI = SCC[i]->begin(), E = SCC[i]->end();
543            CI != E && !KnowNothing; ++CI)
544         if (Function *Callee = CI->second->getFunction()) {
545           if (FunctionInfo *CalleeFI = getFunctionInfo(Callee)) {
546             // Propagate function effect up.
547             FI.addFunctionInfo(*CalleeFI);
548           } else {
549             // Can't say anything about it.  However, if it is inside our SCC,
550             // then nothing needs to be done.
551             CallGraphNode *CalleeNode = CG[Callee];
552             if (std::find(SCC.begin(), SCC.end(), CalleeNode) == SCC.end())
553               KnowNothing = true;
554           }
555         } else {
556           KnowNothing = true;
557         }
558     }
559
560     // If we can't say anything useful about this SCC, remove all SCC functions
561     // from the FunctionInfos map.
562     if (KnowNothing) {
563       for (auto *Node : SCC)
564         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
565       continue;
566     }
567
568     // Scan the function bodies for explicit loads or stores.
569     for (auto *Node : SCC) {
570       if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
571         break; // The mod/ref lattice saturates here.
572       for (Instruction &I : instructions(Node->getFunction())) {
573         if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
574           break; // The mod/ref lattice saturates here.
575
576         // We handle calls specially because the graph-relevant aspects are
577         // handled above.
578         if (auto CS = CallSite(&I)) {
579           if (isAllocationFn(&I, &TLI) || isFreeCall(&I, &TLI)) {
580             // FIXME: It is completely unclear why this is necessary and not
581             // handled by the above graph code.
582             FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
583           } else if (Function *Callee = CS.getCalledFunction()) {
584             // The callgraph doesn't include intrinsic calls.
585             if (Callee->isIntrinsic()) {
586               FunctionModRefBehavior Behaviour =
587                   AAResultBase::getModRefBehavior(Callee);
588               FI.addModRefInfo(ModRefInfo(Behaviour & MRI_ModRef));
589             }
590           }
591           continue;
592         }
593
594         // All non-call instructions we use the primary predicates for whether
595         // thay read or write memory.
596         if (I.mayReadFromMemory())
597           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
598         if (I.mayWriteToMemory())
599           FI.addModRefInfo(MRI_Mod);
600       }
601     }
602
603     if ((FI.getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
604       ++NumReadMemFunctions;
605     if (FI.getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
606       ++NumNoMemFunctions;
607
608     // Finally, now that we know the full effect on this SCC, clone the
609     // information to each function in the SCC.
610     // FI is a reference into FunctionInfos, so copy it now so that it doesn't
611     // get invalidated if DenseMap decides to re-hash.
612     FunctionInfo CachedFI = FI;
613     for (unsigned i = 1, e = SCC.size(); i != e; ++i)
614       FunctionInfos[SCC[i]->getFunction()] = CachedFI;
615   }
616 }
617
618 // GV is a non-escaping global. V is a pointer address that has been loaded from.
619 // If we can prove that V must escape, we can conclude that a load from V cannot
620 // alias GV.
621 static bool isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(const GlobalValue *GV,
622                                                const Value *V,
623                                                int &Depth,
624                                                const DataLayout &DL) {
625   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
626   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
627   Visited.insert(V);
628   Inputs.push_back(V);
629   do {
630     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
631     
632     if (isa<GlobalValue>(Input) || isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
633         isa<InvokeInst>(Input))
634       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
635       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
636       // non-addr-taken globals.
637       //
638       // (Transitive) loads from a global are also safe - if this aliased
639       // another global, its address would escape, so no alias.
640       continue;
641
642     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
643     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
644     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
645     // for small depths.
646     if (++Depth > 4)
647       return false;
648
649     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
650       Inputs.push_back(GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL));
651       continue;
652     }  
653     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
654       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
655       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
656       if (Visited.insert(LHS).second)
657         Inputs.push_back(LHS);
658       if (Visited.insert(RHS).second)
659         Inputs.push_back(RHS);
660       continue;
661     }
662     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
663       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
664         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
665         if (Visited.insert(Op).second)
666           Inputs.push_back(Op);
667       }
668       continue;
669     }
670     
671     return false;
672   } while (!Inputs.empty());
673
674   // All inputs were known to be no-alias.
675   return true;
676 }
677
678 // There are particular cases where we can conclude no-alias between
679 // a non-addr-taken global and some other underlying object. Specifically,
680 // a non-addr-taken global is known to not be escaped from any function. It is
681 // also incorrect for a transformation to introduce an escape of a global in
682 // a way that is observable when it was not there previously. One function
683 // being transformed to introduce an escape which could possibly be observed
684 // (via loading from a global or the return value for example) within another
685 // function is never safe. If the observation is made through non-atomic
686 // operations on different threads, it is a data-race and UB. If the
687 // observation is well defined, by being observed the transformation would have
688 // changed program behavior by introducing the observed escape, making it an
689 // invalid transform.
690 //
691 // This property does require that transformations which *temporarily* escape
692 // a global that was not previously escaped, prior to restoring it, cannot rely
693 // on the results of GMR::alias. This seems a reasonable restriction, although
694 // currently there is no way to enforce it. There is also no realistic
695 // optimization pass that would make this mistake. The closest example is
696 // a transformation pass which does reg2mem of SSA values but stores them into
697 // global variables temporarily before restoring the global variable's value.
698 // This could be useful to expose "benign" races for example. However, it seems
699 // reasonable to require that a pass which introduces escapes of global
700 // variables in this way to either not trust AA results while the escape is
701 // active, or to be forced to operate as a module pass that cannot co-exist
702 // with an alias analysis such as GMR.
703 bool GlobalsAAResult::isNonEscapingGlobalNoAlias(const GlobalValue *GV,
704                                                  const Value *V) {
705   // In order to know that the underlying object cannot alias the
706   // non-addr-taken global, we must know that it would have to be an escape.
707   // Thus if the underlying object is a function argument, a load from
708   // a global, or the return of a function, it cannot alias. We can also
709   // recurse through PHI nodes and select nodes provided all of their inputs
710   // resolve to one of these known-escaping roots.
711   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
712   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
713   Visited.insert(V);
714   Inputs.push_back(V);
715   int Depth = 0;
716   do {
717     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
718
719     if (auto *InputGV = dyn_cast<GlobalValue>(Input)) {
720       // If one input is the very global we're querying against, then we can't
721       // conclude no-alias.
722       if (InputGV == GV)
723         return false;
724
725       // Distinct GlobalVariables never alias, unless overriden or zero-sized.
726       // FIXME: The condition can be refined, but be conservative for now.
727       auto *GVar = dyn_cast<GlobalVariable>(GV);
728       auto *InputGVar = dyn_cast<GlobalVariable>(InputGV);
729       if (GVar && InputGVar &&
730           !GVar->isDeclaration() && !InputGVar->isDeclaration() &&
731           !GVar->mayBeOverridden() && !InputGVar->mayBeOverridden()) {
732         Type *GVType = GVar->getInitializer()->getType();
733         Type *InputGVType = InputGVar->getInitializer()->getType();
734         if (GVType->isSized() && InputGVType->isSized() &&
735             (DL.getTypeAllocSize(GVType) > 0) &&
736             (DL.getTypeAllocSize(InputGVType) > 0))
737           continue;
738       }
739
740       // Conservatively return false, even though we could be smarter
741       // (e.g. look through GlobalAliases).
742       return false;
743     }
744
745     if (isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
746         isa<InvokeInst>(Input)) {
747       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
748       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
749       // non-addr-taken globals.
750       continue;
751     }
752     
753     // Recurse through a limited number of selects, loads and PHIs. This is an
754     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
755     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
756     // for small depths.
757     if (++Depth > 4)
758       return false;
759
760     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
761       // A pointer loaded from a global would have been captured, and we know
762       // that the global is non-escaping, so no alias.
763       const Value *Ptr = GetUnderlyingObject(LI->getPointerOperand(), DL);
764       if (isNonEscapingGlobalNoAliasWithLoad(GV, Ptr, Depth, DL))
765         // The load does not alias with GV.
766         continue;
767       // Otherwise, a load could come from anywhere, so bail.
768       return false;
769     }
770     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
771       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), DL);
772       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), DL);
773       if (Visited.insert(LHS).second)
774         Inputs.push_back(LHS);
775       if (Visited.insert(RHS).second)
776         Inputs.push_back(RHS);
777       continue;
778     }
779     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
780       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
781         Op = GetUnderlyingObject(Op, DL);
782         if (Visited.insert(Op).second)
783           Inputs.push_back(Op);
784       }
785       continue;
786     }
787
788     // FIXME: It would be good to handle other obvious no-alias cases here, but
789     // it isn't clear how to do so reasonbly without building a small version
790     // of BasicAA into this code. We could recurse into AAResultBase::alias
791     // here but that seems likely to go poorly as we're inside the
792     // implementation of such a query. Until then, just conservatievly retun
793     // false.
794     return false;
795   } while (!Inputs.empty());
796
797   // If all the inputs to V were definitively no-alias, then V is no-alias.
798   return true;
799 }
800
801 /// alias - If one of the pointers is to a global that we are tracking, and the
802 /// other is some random pointer, we know there cannot be an alias, because the
803 /// address of the global isn't taken.
804 AliasResult GlobalsAAResult::alias(const MemoryLocation &LocA,
805                                    const MemoryLocation &LocB) {
806   // Get the base object these pointers point to.
807   const Value *UV1 = GetUnderlyingObject(LocA.Ptr, DL);
808   const Value *UV2 = GetUnderlyingObject(LocB.Ptr, DL);
809
810   // If either of the underlying values is a global, they may be non-addr-taken
811   // globals, which we can answer queries about.
812   const GlobalValue *GV1 = dyn_cast<GlobalValue>(UV1);
813   const GlobalValue *GV2 = dyn_cast<GlobalValue>(UV2);
814   if (GV1 || GV2) {
815     // If the global's address is taken, pretend we don't know it's a pointer to
816     // the global.
817     if (GV1 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV1))
818       GV1 = nullptr;
819     if (GV2 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV2))
820       GV2 = nullptr;
821
822     // If the two pointers are derived from two different non-addr-taken
823     // globals we know these can't alias.
824     if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
825       return NoAlias;
826
827     // If one is and the other isn't, it isn't strictly safe but we can fake
828     // this result if necessary for performance. This does not appear to be
829     // a common problem in practice.
830     if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
831       if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
832         return NoAlias;
833
834     // Check for a special case where a non-escaping global can be used to
835     // conclude no-alias.
836     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2) {
837       const GlobalValue *GV = GV1 ? GV1 : GV2;
838       const Value *UV = GV1 ? UV2 : UV1;
839       if (isNonEscapingGlobalNoAlias(GV, UV))
840         return NoAlias;
841     }
842
843     // Otherwise if they are both derived from the same addr-taken global, we
844     // can't know the two accesses don't overlap.
845   }
846
847   // These pointers may be based on the memory owned by an indirect global.  If
848   // so, we may be able to handle this.  First check to see if the base pointer
849   // is a direct load from an indirect global.
850   GV1 = GV2 = nullptr;
851   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV1))
852     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
853       if (IndirectGlobals.count(GV))
854         GV1 = GV;
855   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV2))
856     if (const GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
857       if (IndirectGlobals.count(GV))
858         GV2 = GV;
859
860   // These pointers may also be from an allocation for the indirect global.  If
861   // so, also handle them.
862   if (!GV1)
863     GV1 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV1);
864   if (!GV2)
865     GV2 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV2);
866
867   // Now that we know whether the two pointers are related to indirect globals,
868   // use this to disambiguate the pointers. If the pointers are based on
869   // different indirect globals they cannot alias.
870   if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
871     return NoAlias;
872
873   // If one is based on an indirect global and the other isn't, it isn't
874   // strictly safe but we can fake this result if necessary for performance.
875   // This does not appear to be a common problem in practice.
876   if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
877     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
878       return NoAlias;
879
880   return AAResultBase::alias(LocA, LocB);
881 }
882
883 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfoForArgument(ImmutableCallSite CS,
884                                                      const GlobalValue *GV) {
885   if (CS.doesNotAccessMemory())
886     return MRI_NoModRef;
887   ModRefInfo ConservativeResult = CS.onlyReadsMemory() ? MRI_Ref : MRI_ModRef;
888   
889   // Iterate through all the arguments to the called function. If any argument
890   // is based on GV, return the conservative result.
891   for (auto &A : CS.args()) {
892     SmallVector<Value*, 4> Objects;
893     GetUnderlyingObjects(A, Objects, DL);
894     
895     // All objects must be identified.
896     if (!std::all_of(Objects.begin(), Objects.end(), isIdentifiedObject))
897       return ConservativeResult;
898
899     if (std::find(Objects.begin(), Objects.end(), GV) != Objects.end())
900       return ConservativeResult;
901   }
902
903   // We identified all objects in the argument list, and none of them were GV.
904   return MRI_NoModRef;
905 }
906
907 ModRefInfo GlobalsAAResult::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
908                                           const MemoryLocation &Loc) {
909   unsigned Known = MRI_ModRef;
910
911   // If we are asking for mod/ref info of a direct call with a pointer to a
912   // global we are tracking, return information if we have it.
913   if (const GlobalValue *GV =
914           dyn_cast<GlobalValue>(GetUnderlyingObject(Loc.Ptr, DL)))
915     if (GV->hasLocalLinkage())
916       if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
917         if (NonAddressTakenGlobals.count(GV))
918           if (const FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F))
919             Known = FI->getModRefInfoForGlobal(*GV) |
920               getModRefInfoForArgument(CS, GV);
921
922   if (Known == MRI_NoModRef)
923     return MRI_NoModRef; // No need to query other mod/ref analyses
924   return ModRefInfo(Known & AAResultBase::getModRefInfo(CS, Loc));
925 }
926
927 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(const DataLayout &DL,
928                                  const TargetLibraryInfo &TLI)
929     : AAResultBase(TLI), DL(DL) {}
930
931 GlobalsAAResult::GlobalsAAResult(GlobalsAAResult &&Arg)
932     : AAResultBase(std::move(Arg)), DL(Arg.DL),
933       NonAddressTakenGlobals(std::move(Arg.NonAddressTakenGlobals)),
934       IndirectGlobals(std::move(Arg.IndirectGlobals)),
935       AllocsForIndirectGlobals(std::move(Arg.AllocsForIndirectGlobals)),
936       FunctionInfos(std::move(Arg.FunctionInfos)),
937       Handles(std::move(Arg.Handles)) {
938   // Update the parent for each DeletionCallbackHandle.
939   for (auto &H : Handles) {
940     assert(H.GAR == &Arg);
941     H.GAR = this;
942   }
943 }
944
945 /*static*/ GlobalsAAResult
946 GlobalsAAResult::analyzeModule(Module &M, const TargetLibraryInfo &TLI,
947                                CallGraph &CG) {
948   GlobalsAAResult Result(M.getDataLayout(), TLI);
949
950   // Discover which functions aren't recursive, to feed into AnalyzeGlobals.
951   Result.CollectSCCMembership(CG);
952
953   // Find non-addr taken globals.
954   Result.AnalyzeGlobals(M);
955
956   // Propagate on CG.
957   Result.AnalyzeCallGraph(CG, M);
958
959   return Result;
960 }
961
962 GlobalsAAResult GlobalsAA::run(Module &M, AnalysisManager<Module> *AM) {
963   return GlobalsAAResult::analyzeModule(M,
964                                         AM->getResult<TargetLibraryAnalysis>(M),
965                                         AM->getResult<CallGraphAnalysis>(M));
966 }
967
968 char GlobalsAA::PassID;
969
970 char GlobalsAAWrapperPass::ID = 0;
971 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
972                       "Globals Alias Analysis", false, true)
973 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
974 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
975 INITIALIZE_PASS_END(GlobalsAAWrapperPass, "globals-aa",
976                     "Globals Alias Analysis", false, true)
977
978 ModulePass *llvm::createGlobalsAAWrapperPass() {
979   return new GlobalsAAWrapperPass();
980 }
981
982 GlobalsAAWrapperPass::GlobalsAAWrapperPass() : ModulePass(ID) {
983   initializeGlobalsAAWrapperPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
984 }
985
986 bool GlobalsAAWrapperPass::runOnModule(Module &M) {
987   Result.reset(new GlobalsAAResult(GlobalsAAResult::analyzeModule(
988       M, getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI(),
989       getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph())));
990   return false;
991 }
992
993 bool GlobalsAAWrapperPass::doFinalization(Module &M) {
994   Result.reset();
995   return false;
996 }
997
998 void GlobalsAAWrapperPass::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
999   AU.setPreservesAll();
1000   AU.addRequired<CallGraphWrapperPass>();
1001   AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1002 }