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