eliminate static ctors from Statistics
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / IPA / Andersens.cpp
1 //===- Andersens.cpp - Andersen's Interprocedural Alias Analysis ----------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file defines a very simple implementation of Andersen's interprocedural
11 // alias analysis.  This implementation does not include any of the fancy
12 // features that make Andersen's reasonably efficient (like cycle elimination or
13 // variable substitution), but it should be useful for getting precision
14 // numbers and can be extended in the future.
15 //
16 // In pointer analysis terms, this is a subset-based, flow-insensitive,
17 // field-insensitive, and context-insensitive algorithm pointer algorithm.
18 //
19 // This algorithm is implemented as three stages:
20 //   1. Object identification.
21 //   2. Inclusion constraint identification.
22 //   3. Inclusion constraint solving.
23 //
24 // The object identification stage identifies all of the memory objects in the
25 // program, which includes globals, heap allocated objects, and stack allocated
26 // objects.
27 //
28 // The inclusion constraint identification stage finds all inclusion constraints
29 // in the program by scanning the program, looking for pointer assignments and
30 // other statements that effect the points-to graph.  For a statement like "A =
31 // B", this statement is processed to indicate that A can point to anything that
32 // B can point to.  Constraints can handle copies, loads, and stores.
33 //
34 // The inclusion constraint solving phase iteratively propagates the inclusion
35 // constraints until a fixed point is reached.  This is an O(N^3) algorithm.
36 //
37 // In the initial pass, all indirect function calls are completely ignored.  As
38 // the analysis discovers new targets of function pointers, it iteratively
39 // resolves a precise (and conservative) call graph.  Also related, this
40 // analysis initially assumes that all internal functions have known incoming
41 // pointers.  If we find that an internal function's address escapes outside of
42 // the program, we update this assumption.
43 //
44 // Future Improvements:
45 //   This implementation of Andersen's algorithm is extremely slow.  To make it
46 //   scale reasonably well, the inclusion constraints could be sorted (easy),
47 //   offline variable substitution would be a huge win (straight-forward), and
48 //   online cycle elimination (trickier) might help as well.
49 //
50 //===----------------------------------------------------------------------===//
51
52 #define DEBUG_TYPE "anders-aa"
53 #include "llvm/Constants.h"
54 #include "llvm/DerivedTypes.h"
55 #include "llvm/Instructions.h"
56 #include "llvm/Module.h"
57 #include "llvm/Pass.h"
58 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
59 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
60 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
61 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
62 #include "llvm/Support/Debug.h"
63 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
64 #include <set>
65 using namespace llvm;
66
67 STATISTIC(NumIters            , "Number of iterations to reach convergence");
68 STATISTIC(NumConstraints      , "Number of constraints");
69 STATISTIC(NumNodes            , "Number of nodes");
70 STATISTIC(NumEscapingFunctions, "Number of internal functions that escape");
71 STATISTIC(NumIndirectCallees  , "Number of indirect callees found");
72
73 namespace {
74   class Andersens : public ModulePass, public AliasAnalysis,
75                     private InstVisitor<Andersens> {
76     /// Node class - This class is used to represent a memory object in the
77     /// program, and is the primitive used to build the points-to graph.
78     class Node {
79       std::vector<Node*> Pointees;
80       Value *Val;
81     public:
82       Node() : Val(0) {}
83       Node *setValue(Value *V) {
84         assert(Val == 0 && "Value already set for this node!");
85         Val = V;
86         return this;
87       }
88
89       /// getValue - Return the LLVM value corresponding to this node.
90       ///
91       Value *getValue() const { return Val; }
92
93       typedef std::vector<Node*>::const_iterator iterator;
94       iterator begin() const { return Pointees.begin(); }
95       iterator end() const { return Pointees.end(); }
96
97       /// addPointerTo - Add a pointer to the list of pointees of this node,
98       /// returning true if this caused a new pointer to be added, or false if
99       /// we already knew about the points-to relation.
100       bool addPointerTo(Node *N) {
101         std::vector<Node*>::iterator I = std::lower_bound(Pointees.begin(),
102                                                           Pointees.end(),
103                                                           N);
104         if (I != Pointees.end() && *I == N)
105           return false;
106         Pointees.insert(I, N);
107         return true;
108       }
109
110       /// intersects - Return true if the points-to set of this node intersects
111       /// with the points-to set of the specified node.
112       bool intersects(Node *N) const;
113
114       /// intersectsIgnoring - Return true if the points-to set of this node
115       /// intersects with the points-to set of the specified node on any nodes
116       /// except for the specified node to ignore.
117       bool intersectsIgnoring(Node *N, Node *Ignoring) const;
118
119       // Constraint application methods.
120       bool copyFrom(Node *N);
121       bool loadFrom(Node *N);
122       bool storeThrough(Node *N);
123     };
124
125     /// GraphNodes - This vector is populated as part of the object
126     /// identification stage of the analysis, which populates this vector with a
127     /// node for each memory object and fills in the ValueNodes map.
128     std::vector<Node> GraphNodes;
129
130     /// ValueNodes - This map indicates the Node that a particular Value* is
131     /// represented by.  This contains entries for all pointers.
132     std::map<Value*, unsigned> ValueNodes;
133
134     /// ObjectNodes - This map contains entries for each memory object in the
135     /// program: globals, alloca's and mallocs.
136     std::map<Value*, unsigned> ObjectNodes;
137
138     /// ReturnNodes - This map contains an entry for each function in the
139     /// program that returns a value.
140     std::map<Function*, unsigned> ReturnNodes;
141
142     /// VarargNodes - This map contains the entry used to represent all pointers
143     /// passed through the varargs portion of a function call for a particular
144     /// function.  An entry is not present in this map for functions that do not
145     /// take variable arguments.
146     std::map<Function*, unsigned> VarargNodes;
147
148     /// Constraint - Objects of this structure are used to represent the various
149     /// constraints identified by the algorithm.  The constraints are 'copy',
150     /// for statements like "A = B", 'load' for statements like "A = *B", and
151     /// 'store' for statements like "*A = B".
152     struct Constraint {
153       enum ConstraintType { Copy, Load, Store } Type;
154       Node *Dest, *Src;
155
156       Constraint(ConstraintType Ty, Node *D, Node *S)
157         : Type(Ty), Dest(D), Src(S) {}
158     };
159
160     /// Constraints - This vector contains a list of all of the constraints
161     /// identified by the program.
162     std::vector<Constraint> Constraints;
163
164     /// EscapingInternalFunctions - This set contains all of the internal
165     /// functions that are found to escape from the program.  If the address of
166     /// an internal function is passed to an external function or otherwise
167     /// escapes from the analyzed portion of the program, we must assume that
168     /// any pointer arguments can alias the universal node.  This set keeps
169     /// track of those functions we are assuming to escape so far.
170     std::set<Function*> EscapingInternalFunctions;
171
172     /// IndirectCalls - This contains a list of all of the indirect call sites
173     /// in the program.  Since the call graph is iteratively discovered, we may
174     /// need to add constraints to our graph as we find new targets of function
175     /// pointers.
176     std::vector<CallSite> IndirectCalls;
177
178     /// IndirectCallees - For each call site in the indirect calls list, keep
179     /// track of the callees that we have discovered so far.  As the analysis
180     /// proceeds, more callees are discovered, until the call graph finally
181     /// stabilizes.
182     std::map<CallSite, std::vector<Function*> > IndirectCallees;
183
184     /// This enum defines the GraphNodes indices that correspond to important
185     /// fixed sets.
186     enum {
187       UniversalSet = 0,
188       NullPtr      = 1,
189       NullObject   = 2
190     };
191
192   public:
193     bool runOnModule(Module &M) {
194       InitializeAliasAnalysis(this);
195       IdentifyObjects(M);
196       CollectConstraints(M);
197       DEBUG(PrintConstraints());
198       SolveConstraints();
199       DEBUG(PrintPointsToGraph());
200
201       // Free the constraints list, as we don't need it to respond to alias
202       // requests.
203       ObjectNodes.clear();
204       ReturnNodes.clear();
205       VarargNodes.clear();
206       EscapingInternalFunctions.clear();
207       std::vector<Constraint>().swap(Constraints);
208       return false;
209     }
210
211     void releaseMemory() {
212       // FIXME: Until we have transitively required passes working correctly,
213       // this cannot be enabled!  Otherwise, using -count-aa with the pass
214       // causes memory to be freed too early. :(
215 #if 0
216       // The memory objects and ValueNodes data structures at the only ones that
217       // are still live after construction.
218       std::vector<Node>().swap(GraphNodes);
219       ValueNodes.clear();
220 #endif
221     }
222
223     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
224       AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
225       AU.setPreservesAll();                         // Does not transform code
226     }
227
228     //------------------------------------------------
229     // Implement the AliasAnalysis API
230     //
231     AliasResult alias(const Value *V1, unsigned V1Size,
232                       const Value *V2, unsigned V2Size);
233     virtual ModRefResult getModRefInfo(CallSite CS, Value *P, unsigned Size);
234     virtual ModRefResult getModRefInfo(CallSite CS1, CallSite CS2);
235     void getMustAliases(Value *P, std::vector<Value*> &RetVals);
236     bool pointsToConstantMemory(const Value *P);
237
238     virtual void deleteValue(Value *V) {
239       ValueNodes.erase(V);
240       getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(V);
241     }
242
243     virtual void copyValue(Value *From, Value *To) {
244       ValueNodes[To] = ValueNodes[From];
245       getAnalysis<AliasAnalysis>().copyValue(From, To);
246     }
247
248   private:
249     /// getNode - Return the node corresponding to the specified pointer scalar.
250     ///
251     Node *getNode(Value *V) {
252       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
253         if (!isa<GlobalValue>(C))
254           return getNodeForConstantPointer(C);
255
256       std::map<Value*, unsigned>::iterator I = ValueNodes.find(V);
257       if (I == ValueNodes.end()) {
258 #ifndef NDEBUG
259         V->dump();
260 #endif
261         assert(0 && "Value does not have a node in the points-to graph!");
262       }
263       return &GraphNodes[I->second];
264     }
265
266     /// getObject - Return the node corresponding to the memory object for the
267     /// specified global or allocation instruction.
268     Node *getObject(Value *V) {
269       std::map<Value*, unsigned>::iterator I = ObjectNodes.find(V);
270       assert(I != ObjectNodes.end() &&
271              "Value does not have an object in the points-to graph!");
272       return &GraphNodes[I->second];
273     }
274
275     /// getReturnNode - Return the node representing the return value for the
276     /// specified function.
277     Node *getReturnNode(Function *F) {
278       std::map<Function*, unsigned>::iterator I = ReturnNodes.find(F);
279       assert(I != ReturnNodes.end() && "Function does not return a value!");
280       return &GraphNodes[I->second];
281     }
282
283     /// getVarargNode - Return the node representing the variable arguments
284     /// formal for the specified function.
285     Node *getVarargNode(Function *F) {
286       std::map<Function*, unsigned>::iterator I = VarargNodes.find(F);
287       assert(I != VarargNodes.end() && "Function does not take var args!");
288       return &GraphNodes[I->second];
289     }
290
291     /// getNodeValue - Get the node for the specified LLVM value and set the
292     /// value for it to be the specified value.
293     Node *getNodeValue(Value &V) {
294       return getNode(&V)->setValue(&V);
295     }
296
297     void IdentifyObjects(Module &M);
298     void CollectConstraints(Module &M);
299     void SolveConstraints();
300
301     Node *getNodeForConstantPointer(Constant *C);
302     Node *getNodeForConstantPointerTarget(Constant *C);
303     void AddGlobalInitializerConstraints(Node *N, Constant *C);
304
305     void AddConstraintsForNonInternalLinkage(Function *F);
306     void AddConstraintsForCall(CallSite CS, Function *F);
307     bool AddConstraintsForExternalCall(CallSite CS, Function *F);
308
309
310     void PrintNode(Node *N);
311     void PrintConstraints();
312     void PrintPointsToGraph();
313
314     //===------------------------------------------------------------------===//
315     // Instruction visitation methods for adding constraints
316     //
317     friend class InstVisitor<Andersens>;
318     void visitReturnInst(ReturnInst &RI);
319     void visitInvokeInst(InvokeInst &II) { visitCallSite(CallSite(&II)); }
320     void visitCallInst(CallInst &CI) { visitCallSite(CallSite(&CI)); }
321     void visitCallSite(CallSite CS);
322     void visitAllocationInst(AllocationInst &AI);
323     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
324     void visitStoreInst(StoreInst &SI);
325     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEP);
326     void visitPHINode(PHINode &PN);
327     void visitCastInst(CastInst &CI);
328     void visitSetCondInst(SetCondInst &SCI) {} // NOOP!
329     void visitSelectInst(SelectInst &SI);
330     void visitVAArg(VAArgInst &I);
331     void visitInstruction(Instruction &I);
332   };
333
334   RegisterPass<Andersens> X("anders-aa",
335                             "Andersen's Interprocedural Alias Analysis");
336   RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> Y(X);
337 }
338
339 ModulePass *llvm::createAndersensPass() { return new Andersens(); }
340
341 //===----------------------------------------------------------------------===//
342 //                  AliasAnalysis Interface Implementation
343 //===----------------------------------------------------------------------===//
344
345 AliasAnalysis::AliasResult Andersens::alias(const Value *V1, unsigned V1Size,
346                                             const Value *V2, unsigned V2Size) {
347   Node *N1 = getNode(const_cast<Value*>(V1));
348   Node *N2 = getNode(const_cast<Value*>(V2));
349
350   // Check to see if the two pointers are known to not alias.  They don't alias
351   // if their points-to sets do not intersect.
352   if (!N1->intersectsIgnoring(N2, &GraphNodes[NullObject]))
353     return NoAlias;
354
355   return AliasAnalysis::alias(V1, V1Size, V2, V2Size);
356 }
357
358 AliasAnalysis::ModRefResult
359 Andersens::getModRefInfo(CallSite CS, Value *P, unsigned Size) {
360   // The only thing useful that we can contribute for mod/ref information is
361   // when calling external function calls: if we know that memory never escapes
362   // from the program, it cannot be modified by an external call.
363   //
364   // NOTE: This is not really safe, at least not when the entire program is not
365   // available.  The deal is that the external function could call back into the
366   // program and modify stuff.  We ignore this technical niggle for now.  This
367   // is, after all, a "research quality" implementation of Andersen's analysis.
368   if (Function *F = CS.getCalledFunction())
369     if (F->isExternal()) {
370       Node *N1 = getNode(P);
371
372       if (N1->begin() == N1->end())
373         return NoModRef;  // P doesn't point to anything.
374
375       // Get the first pointee.
376       Node *FirstPointee = *N1->begin();
377       if (FirstPointee != &GraphNodes[UniversalSet])
378         return NoModRef;  // P doesn't point to the universal set.
379     }
380
381   return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS, P, Size);
382 }
383
384 AliasAnalysis::ModRefResult
385 Andersens::getModRefInfo(CallSite CS1, CallSite CS2) {
386   return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS1,CS2);
387 }
388
389 /// getMustAlias - We can provide must alias information if we know that a
390 /// pointer can only point to a specific function or the null pointer.
391 /// Unfortunately we cannot determine must-alias information for global
392 /// variables or any other memory memory objects because we do not track whether
393 /// a pointer points to the beginning of an object or a field of it.
394 void Andersens::getMustAliases(Value *P, std::vector<Value*> &RetVals) {
395   Node *N = getNode(P);
396   Node::iterator I = N->begin();
397   if (I != N->end()) {
398     // If there is exactly one element in the points-to set for the object...
399     ++I;
400     if (I == N->end()) {
401       Node *Pointee = *N->begin();
402
403       // If a function is the only object in the points-to set, then it must be
404       // the destination.  Note that we can't handle global variables here,
405       // because we don't know if the pointer is actually pointing to a field of
406       // the global or to the beginning of it.
407       if (Value *V = Pointee->getValue()) {
408         if (Function *F = dyn_cast<Function>(V))
409           RetVals.push_back(F);
410       } else {
411         // If the object in the points-to set is the null object, then the null
412         // pointer is a must alias.
413         if (Pointee == &GraphNodes[NullObject])
414           RetVals.push_back(Constant::getNullValue(P->getType()));
415       }
416     }
417   }
418
419   AliasAnalysis::getMustAliases(P, RetVals);
420 }
421
422 /// pointsToConstantMemory - If we can determine that this pointer only points
423 /// to constant memory, return true.  In practice, this means that if the
424 /// pointer can only point to constant globals, functions, or the null pointer,
425 /// return true.
426 ///
427 bool Andersens::pointsToConstantMemory(const Value *P) {
428   Node *N = getNode((Value*)P);
429   for (Node::iterator I = N->begin(), E = N->end(); I != E; ++I) {
430     if (Value *V = (*I)->getValue()) {
431       if (!isa<GlobalValue>(V) || (isa<GlobalVariable>(V) &&
432                                    !cast<GlobalVariable>(V)->isConstant()))
433         return AliasAnalysis::pointsToConstantMemory(P);
434     } else {
435       if (*I != &GraphNodes[NullObject])
436         return AliasAnalysis::pointsToConstantMemory(P);
437     }
438   }
439
440   return true;
441 }
442
443 //===----------------------------------------------------------------------===//
444 //                       Object Identification Phase
445 //===----------------------------------------------------------------------===//
446
447 /// IdentifyObjects - This stage scans the program, adding an entry to the
448 /// GraphNodes list for each memory object in the program (global stack or
449 /// heap), and populates the ValueNodes and ObjectNodes maps for these objects.
450 ///
451 void Andersens::IdentifyObjects(Module &M) {
452   unsigned NumObjects = 0;
453
454   // Object #0 is always the universal set: the object that we don't know
455   // anything about.
456   assert(NumObjects == UniversalSet && "Something changed!");
457   ++NumObjects;
458
459   // Object #1 always represents the null pointer.
460   assert(NumObjects == NullPtr && "Something changed!");
461   ++NumObjects;
462
463   // Object #2 always represents the null object (the object pointed to by null)
464   assert(NumObjects == NullObject && "Something changed!");
465   ++NumObjects;
466
467   // Add all the globals first.
468   for (Module::global_iterator I = M.global_begin(), E = M.global_end();
469        I != E; ++I) {
470     ObjectNodes[I] = NumObjects++;
471     ValueNodes[I] = NumObjects++;
472   }
473
474   // Add nodes for all of the functions and the instructions inside of them.
475   for (Module::iterator F = M.begin(), E = M.end(); F != E; ++F) {
476     // The function itself is a memory object.
477     ValueNodes[F] = NumObjects++;
478     ObjectNodes[F] = NumObjects++;
479     if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType()))
480       ReturnNodes[F] = NumObjects++;
481     if (F->getFunctionType()->isVarArg())
482       VarargNodes[F] = NumObjects++;
483
484     // Add nodes for all of the incoming pointer arguments.
485     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
486          I != E; ++I)
487       if (isa<PointerType>(I->getType()))
488         ValueNodes[I] = NumObjects++;
489
490     // Scan the function body, creating a memory object for each heap/stack
491     // allocation in the body of the function and a node to represent all
492     // pointer values defined by instructions and used as operands.
493     for (inst_iterator II = inst_begin(F), E = inst_end(F); II != E; ++II) {
494       // If this is an heap or stack allocation, create a node for the memory
495       // object.
496       if (isa<PointerType>(II->getType())) {
497         ValueNodes[&*II] = NumObjects++;
498         if (AllocationInst *AI = dyn_cast<AllocationInst>(&*II))
499           ObjectNodes[AI] = NumObjects++;
500       }
501     }
502   }
503
504   // Now that we know how many objects to create, make them all now!
505   GraphNodes.resize(NumObjects);
506   NumNodes += NumObjects;
507 }
508
509 //===----------------------------------------------------------------------===//
510 //                     Constraint Identification Phase
511 //===----------------------------------------------------------------------===//
512
513 /// getNodeForConstantPointer - Return the node corresponding to the constant
514 /// pointer itself.
515 Andersens::Node *Andersens::getNodeForConstantPointer(Constant *C) {
516   assert(isa<PointerType>(C->getType()) && "Not a constant pointer!");
517
518   if (isa<ConstantPointerNull>(C) || isa<UndefValue>(C))
519     return &GraphNodes[NullPtr];
520   else if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(C))
521     return getNode(GV);
522   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(C)) {
523     switch (CE->getOpcode()) {
524     case Instruction::GetElementPtr:
525       return getNodeForConstantPointer(CE->getOperand(0));
526     case Instruction::IntToPtr:
527       return &GraphNodes[UniversalSet];
528     case Instruction::BitCast:
529       return getNodeForConstantPointer(CE->getOperand(0));
530     default:
531       cerr << "Constant Expr not yet handled: " << *CE << "\n";
532       assert(0);
533     }
534   } else {
535     assert(0 && "Unknown constant pointer!");
536   }
537   return 0;
538 }
539
540 /// getNodeForConstantPointerTarget - Return the node POINTED TO by the
541 /// specified constant pointer.
542 Andersens::Node *Andersens::getNodeForConstantPointerTarget(Constant *C) {
543   assert(isa<PointerType>(C->getType()) && "Not a constant pointer!");
544
545   if (isa<ConstantPointerNull>(C))
546     return &GraphNodes[NullObject];
547   else if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(C))
548     return getObject(GV);
549   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(C)) {
550     switch (CE->getOpcode()) {
551     case Instruction::GetElementPtr:
552       return getNodeForConstantPointerTarget(CE->getOperand(0));
553     case Instruction::IntToPtr:
554       return &GraphNodes[UniversalSet];
555     case Instruction::BitCast:
556       return getNodeForConstantPointerTarget(CE->getOperand(0));
557     default:
558       cerr << "Constant Expr not yet handled: " << *CE << "\n";
559       assert(0);
560     }
561   } else {
562     assert(0 && "Unknown constant pointer!");
563   }
564   return 0;
565 }
566
567 /// AddGlobalInitializerConstraints - Add inclusion constraints for the memory
568 /// object N, which contains values indicated by C.
569 void Andersens::AddGlobalInitializerConstraints(Node *N, Constant *C) {
570   if (C->getType()->isFirstClassType()) {
571     if (isa<PointerType>(C->getType()))
572       N->copyFrom(getNodeForConstantPointer(C));
573
574   } else if (C->isNullValue()) {
575     N->addPointerTo(&GraphNodes[NullObject]);
576     return;
577   } else if (!isa<UndefValue>(C)) {
578     // If this is an array or struct, include constraints for each element.
579     assert(isa<ConstantArray>(C) || isa<ConstantStruct>(C));
580     for (unsigned i = 0, e = C->getNumOperands(); i != e; ++i)
581       AddGlobalInitializerConstraints(N, cast<Constant>(C->getOperand(i)));
582   }
583 }
584
585 /// AddConstraintsForNonInternalLinkage - If this function does not have
586 /// internal linkage, realize that we can't trust anything passed into or
587 /// returned by this function.
588 void Andersens::AddConstraintsForNonInternalLinkage(Function *F) {
589   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
590     if (isa<PointerType>(I->getType()))
591       // If this is an argument of an externally accessible function, the
592       // incoming pointer might point to anything.
593       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNode(I),
594                                        &GraphNodes[UniversalSet]));
595 }
596
597 /// AddConstraintsForCall - If this is a call to a "known" function, add the
598 /// constraints and return true.  If this is a call to an unknown function,
599 /// return false.
600 bool Andersens::AddConstraintsForExternalCall(CallSite CS, Function *F) {
601   assert(F->isExternal() && "Not an external function!");
602
603   // These functions don't induce any points-to constraints.
604   if (F->getName() == "atoi" || F->getName() == "atof" ||
605       F->getName() == "atol" || F->getName() == "atoll" ||
606       F->getName() == "remove" || F->getName() == "unlink" ||
607       F->getName() == "rename" || F->getName() == "memcmp" ||
608       F->getName() == "llvm.memset.i32" ||
609       F->getName() == "llvm.memset.i64" ||
610       F->getName() == "strcmp" || F->getName() == "strncmp" ||
611       F->getName() == "execl" || F->getName() == "execlp" ||
612       F->getName() == "execle" || F->getName() == "execv" ||
613       F->getName() == "execvp" || F->getName() == "chmod" ||
614       F->getName() == "puts" || F->getName() == "write" ||
615       F->getName() == "open" || F->getName() == "create" ||
616       F->getName() == "truncate" || F->getName() == "chdir" ||
617       F->getName() == "mkdir" || F->getName() == "rmdir" ||
618       F->getName() == "read" || F->getName() == "pipe" ||
619       F->getName() == "wait" || F->getName() == "time" ||
620       F->getName() == "stat" || F->getName() == "fstat" ||
621       F->getName() == "lstat" || F->getName() == "strtod" ||
622       F->getName() == "strtof" || F->getName() == "strtold" ||
623       F->getName() == "fopen" || F->getName() == "fdopen" ||
624       F->getName() == "freopen" ||
625       F->getName() == "fflush" || F->getName() == "feof" ||
626       F->getName() == "fileno" || F->getName() == "clearerr" ||
627       F->getName() == "rewind" || F->getName() == "ftell" ||
628       F->getName() == "ferror" || F->getName() == "fgetc" ||
629       F->getName() == "fgetc" || F->getName() == "_IO_getc" ||
630       F->getName() == "fwrite" || F->getName() == "fread" ||
631       F->getName() == "fgets" || F->getName() == "ungetc" ||
632       F->getName() == "fputc" ||
633       F->getName() == "fputs" || F->getName() == "putc" ||
634       F->getName() == "ftell" || F->getName() == "rewind" ||
635       F->getName() == "_IO_putc" || F->getName() == "fseek" ||
636       F->getName() == "fgetpos" || F->getName() == "fsetpos" ||
637       F->getName() == "printf" || F->getName() == "fprintf" ||
638       F->getName() == "sprintf" || F->getName() == "vprintf" ||
639       F->getName() == "vfprintf" || F->getName() == "vsprintf" ||
640       F->getName() == "scanf" || F->getName() == "fscanf" ||
641       F->getName() == "sscanf" || F->getName() == "__assert_fail" ||
642       F->getName() == "modf")
643     return true;
644
645
646   // These functions do induce points-to edges.
647   if (F->getName() == "llvm.memcpy.i32" || F->getName() == "llvm.memcpy.i64" || 
648       F->getName() == "llvm.memmove.i32" ||F->getName() == "llvm.memmove.i64" ||
649       F->getName() == "memmove") {
650     // Note: this is a poor approximation, this says Dest = Src, instead of
651     // *Dest = *Src.
652     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
653                                      getNode(CS.getArgument(0)),
654                                      getNode(CS.getArgument(1))));
655     return true;
656   }
657
658   // Result = Arg0
659   if (F->getName() == "realloc" || F->getName() == "strchr" ||
660       F->getName() == "strrchr" || F->getName() == "strstr" ||
661       F->getName() == "strtok") {
662     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
663                                      getNode(CS.getInstruction()),
664                                      getNode(CS.getArgument(0))));
665     return true;
666   }
667
668   return false;
669 }
670
671
672
673 /// CollectConstraints - This stage scans the program, adding a constraint to
674 /// the Constraints list for each instruction in the program that induces a
675 /// constraint, and setting up the initial points-to graph.
676 ///
677 void Andersens::CollectConstraints(Module &M) {
678   // First, the universal set points to itself.
679   GraphNodes[UniversalSet].addPointerTo(&GraphNodes[UniversalSet]);
680   //Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Load, &GraphNodes[UniversalSet],
681   //                                 &GraphNodes[UniversalSet]));
682   Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Store, &GraphNodes[UniversalSet],
683                                    &GraphNodes[UniversalSet]));
684
685   // Next, the null pointer points to the null object.
686   GraphNodes[NullPtr].addPointerTo(&GraphNodes[NullObject]);
687
688   // Next, add any constraints on global variables and their initializers.
689   for (Module::global_iterator I = M.global_begin(), E = M.global_end();
690        I != E; ++I) {
691     // Associate the address of the global object as pointing to the memory for
692     // the global: &G = <G memory>
693     Node *Object = getObject(I);
694     Object->setValue(I);
695     getNodeValue(*I)->addPointerTo(Object);
696
697     if (I->hasInitializer()) {
698       AddGlobalInitializerConstraints(Object, I->getInitializer());
699     } else {
700       // If it doesn't have an initializer (i.e. it's defined in another
701       // translation unit), it points to the universal set.
702       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, Object,
703                                        &GraphNodes[UniversalSet]));
704     }
705   }
706
707   for (Module::iterator F = M.begin(), E = M.end(); F != E; ++F) {
708     // Make the function address point to the function object.
709     getNodeValue(*F)->addPointerTo(getObject(F)->setValue(F));
710
711     // Set up the return value node.
712     if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType()))
713       getReturnNode(F)->setValue(F);
714     if (F->getFunctionType()->isVarArg())
715       getVarargNode(F)->setValue(F);
716
717     // Set up incoming argument nodes.
718     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
719          I != E; ++I)
720       if (isa<PointerType>(I->getType()))
721         getNodeValue(*I);
722
723     if (!F->hasInternalLinkage())
724       AddConstraintsForNonInternalLinkage(F);
725
726     if (!F->isExternal()) {
727       // Scan the function body, creating a memory object for each heap/stack
728       // allocation in the body of the function and a node to represent all
729       // pointer values defined by instructions and used as operands.
730       visit(F);
731     } else {
732       // External functions that return pointers return the universal set.
733       if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType()))
734         Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
735                                          getReturnNode(F),
736                                          &GraphNodes[UniversalSet]));
737
738       // Any pointers that are passed into the function have the universal set
739       // stored into them.
740       for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
741            I != E; ++I)
742         if (isa<PointerType>(I->getType())) {
743           // Pointers passed into external functions could have anything stored
744           // through them.
745           Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Store, getNode(I),
746                                            &GraphNodes[UniversalSet]));
747           // Memory objects passed into external function calls can have the
748           // universal set point to them.
749           Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
750                                            &GraphNodes[UniversalSet],
751                                            getNode(I)));
752         }
753
754       // If this is an external varargs function, it can also store pointers
755       // into any pointers passed through the varargs section.
756       if (F->getFunctionType()->isVarArg())
757         Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Store, getVarargNode(F),
758                                          &GraphNodes[UniversalSet]));
759     }
760   }
761   NumConstraints += Constraints.size();
762 }
763
764
765 void Andersens::visitInstruction(Instruction &I) {
766 #ifdef NDEBUG
767   return;          // This function is just a big assert.
768 #endif
769   if (isa<BinaryOperator>(I))
770     return;
771   // Most instructions don't have any effect on pointer values.
772   switch (I.getOpcode()) {
773   case Instruction::Br:
774   case Instruction::Switch:
775   case Instruction::Unwind:
776   case Instruction::Unreachable:
777   case Instruction::Free:
778   case Instruction::Shl:
779   case Instruction::LShr:
780   case Instruction::AShr:
781     return;
782   default:
783     // Is this something we aren't handling yet?
784     cerr << "Unknown instruction: " << I;
785     abort();
786   }
787 }
788
789 void Andersens::visitAllocationInst(AllocationInst &AI) {
790   getNodeValue(AI)->addPointerTo(getObject(&AI)->setValue(&AI));
791 }
792
793 void Andersens::visitReturnInst(ReturnInst &RI) {
794   if (RI.getNumOperands() && isa<PointerType>(RI.getOperand(0)->getType()))
795     // return V   -->   <Copy/retval{F}/v>
796     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
797                                      getReturnNode(RI.getParent()->getParent()),
798                                      getNode(RI.getOperand(0))));
799 }
800
801 void Andersens::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
802   if (isa<PointerType>(LI.getType()))
803     // P1 = load P2  -->  <Load/P1/P2>
804     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Load, getNodeValue(LI),
805                                      getNode(LI.getOperand(0))));
806 }
807
808 void Andersens::visitStoreInst(StoreInst &SI) {
809   if (isa<PointerType>(SI.getOperand(0)->getType()))
810     // store P1, P2  -->  <Store/P2/P1>
811     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Store,
812                                      getNode(SI.getOperand(1)),
813                                      getNode(SI.getOperand(0))));
814 }
815
816 void Andersens::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEP) {
817   // P1 = getelementptr P2, ... --> <Copy/P1/P2>
818   Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNodeValue(GEP),
819                                    getNode(GEP.getOperand(0))));
820 }
821
822 void Andersens::visitPHINode(PHINode &PN) {
823   if (isa<PointerType>(PN.getType())) {
824     Node *PNN = getNodeValue(PN);
825     for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
826       // P1 = phi P2, P3  -->  <Copy/P1/P2>, <Copy/P1/P3>, ...
827       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, PNN,
828                                        getNode(PN.getIncomingValue(i))));
829   }
830 }
831
832 void Andersens::visitCastInst(CastInst &CI) {
833   Value *Op = CI.getOperand(0);
834   if (isa<PointerType>(CI.getType())) {
835     if (isa<PointerType>(Op->getType())) {
836       // P1 = cast P2  --> <Copy/P1/P2>
837       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNodeValue(CI),
838                                        getNode(CI.getOperand(0))));
839     } else {
840       // P1 = cast int --> <Copy/P1/Univ>
841 #if 0
842       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNodeValue(CI),
843                                        &GraphNodes[UniversalSet]));
844 #else
845       getNodeValue(CI);
846 #endif
847     }
848   } else if (isa<PointerType>(Op->getType())) {
849     // int = cast P1 --> <Copy/Univ/P1>
850 #if 0
851     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
852                                      &GraphNodes[UniversalSet],
853                                      getNode(CI.getOperand(0))));
854 #else
855     getNode(CI.getOperand(0));
856 #endif
857   }
858 }
859
860 void Andersens::visitSelectInst(SelectInst &SI) {
861   if (isa<PointerType>(SI.getType())) {
862     Node *SIN = getNodeValue(SI);
863     // P1 = select C, P2, P3   ---> <Copy/P1/P2>, <Copy/P1/P3>
864     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, SIN,
865                                      getNode(SI.getOperand(1))));
866     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, SIN,
867                                      getNode(SI.getOperand(2))));
868   }
869 }
870
871 void Andersens::visitVAArg(VAArgInst &I) {
872   assert(0 && "vaarg not handled yet!");
873 }
874
875 /// AddConstraintsForCall - Add constraints for a call with actual arguments
876 /// specified by CS to the function specified by F.  Note that the types of
877 /// arguments might not match up in the case where this is an indirect call and
878 /// the function pointer has been casted.  If this is the case, do something
879 /// reasonable.
880 void Andersens::AddConstraintsForCall(CallSite CS, Function *F) {
881   // If this is a call to an external function, handle it directly to get some
882   // taste of context sensitivity.
883   if (F->isExternal() && AddConstraintsForExternalCall(CS, F))
884     return;
885
886   if (isa<PointerType>(CS.getType())) {
887     Node *CSN = getNode(CS.getInstruction());
888     if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType())) {
889       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, CSN,
890                                        getReturnNode(F)));
891     } else {
892       // If the function returns a non-pointer value, handle this just like we
893       // treat a nonpointer cast to pointer.
894       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, CSN,
895                                        &GraphNodes[UniversalSet]));
896     }
897   } else if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType())) {
898     Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
899                                      &GraphNodes[UniversalSet],
900                                      getReturnNode(F)));
901   }
902
903   Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(), AE = F->arg_end();
904   CallSite::arg_iterator ArgI = CS.arg_begin(), ArgE = CS.arg_end();
905   for (; AI != AE && ArgI != ArgE; ++AI, ++ArgI)
906     if (isa<PointerType>(AI->getType())) {
907       if (isa<PointerType>((*ArgI)->getType())) {
908         // Copy the actual argument into the formal argument.
909         Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNode(AI),
910                                          getNode(*ArgI)));
911       } else {
912         Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getNode(AI),
913                                          &GraphNodes[UniversalSet]));
914       }
915     } else if (isa<PointerType>((*ArgI)->getType())) {
916       Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy,
917                                        &GraphNodes[UniversalSet],
918                                        getNode(*ArgI)));
919     }
920
921   // Copy all pointers passed through the varargs section to the varargs node.
922   if (F->getFunctionType()->isVarArg())
923     for (; ArgI != ArgE; ++ArgI)
924       if (isa<PointerType>((*ArgI)->getType()))
925         Constraints.push_back(Constraint(Constraint::Copy, getVarargNode(F),
926                                          getNode(*ArgI)));
927   // If more arguments are passed in than we track, just drop them on the floor.
928 }
929
930 void Andersens::visitCallSite(CallSite CS) {
931   if (isa<PointerType>(CS.getType()))
932     getNodeValue(*CS.getInstruction());
933
934   if (Function *F = CS.getCalledFunction()) {
935     AddConstraintsForCall(CS, F);
936   } else {
937     // We don't handle indirect call sites yet.  Keep track of them for when we
938     // discover the call graph incrementally.
939     IndirectCalls.push_back(CS);
940   }
941 }
942
943 //===----------------------------------------------------------------------===//
944 //                         Constraint Solving Phase
945 //===----------------------------------------------------------------------===//
946
947 /// intersects - Return true if the points-to set of this node intersects
948 /// with the points-to set of the specified node.
949 bool Andersens::Node::intersects(Node *N) const {
950   iterator I1 = begin(), I2 = N->begin(), E1 = end(), E2 = N->end();
951   while (I1 != E1 && I2 != E2) {
952     if (*I1 == *I2) return true;
953     if (*I1 < *I2)
954       ++I1;
955     else
956       ++I2;
957   }
958   return false;
959 }
960
961 /// intersectsIgnoring - Return true if the points-to set of this node
962 /// intersects with the points-to set of the specified node on any nodes
963 /// except for the specified node to ignore.
964 bool Andersens::Node::intersectsIgnoring(Node *N, Node *Ignoring) const {
965   iterator I1 = begin(), I2 = N->begin(), E1 = end(), E2 = N->end();
966   while (I1 != E1 && I2 != E2) {
967     if (*I1 == *I2) {
968       if (*I1 != Ignoring) return true;
969       ++I1; ++I2;
970     } else if (*I1 < *I2)
971       ++I1;
972     else
973       ++I2;
974   }
975   return false;
976 }
977
978 // Copy constraint: all edges out of the source node get copied to the
979 // destination node.  This returns true if a change is made.
980 bool Andersens::Node::copyFrom(Node *N) {
981   // Use a mostly linear-time merge since both of the lists are sorted.
982   bool Changed = false;
983   iterator I = N->begin(), E = N->end();
984   unsigned i = 0;
985   while (I != E && i != Pointees.size()) {
986     if (Pointees[i] < *I) {
987       ++i;
988     } else if (Pointees[i] == *I) {
989       ++i; ++I;
990     } else {
991       // We found a new element to copy over.
992       Changed = true;
993       Pointees.insert(Pointees.begin()+i, *I);
994        ++i; ++I;
995     }
996   }
997
998   if (I != E) {
999     Pointees.insert(Pointees.end(), I, E);
1000     Changed = true;
1001   }
1002
1003   return Changed;
1004 }
1005
1006 bool Andersens::Node::loadFrom(Node *N) {
1007   bool Changed = false;
1008   for (iterator I = N->begin(), E = N->end(); I != E; ++I)
1009     Changed |= copyFrom(*I);
1010   return Changed;
1011 }
1012
1013 bool Andersens::Node::storeThrough(Node *N) {
1014   bool Changed = false;
1015   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
1016     Changed |= (*I)->copyFrom(N);
1017   return Changed;
1018 }
1019
1020
1021 /// SolveConstraints - This stage iteratively processes the constraints list
1022 /// propagating constraints (adding edges to the Nodes in the points-to graph)
1023 /// until a fixed point is reached.
1024 ///
1025 void Andersens::SolveConstraints() {
1026   bool Changed = true;
1027   unsigned Iteration = 0;
1028   while (Changed) {
1029     Changed = false;
1030     ++NumIters;
1031     DOUT << "Starting iteration #" << Iteration++ << "!\n";
1032
1033     // Loop over all of the constraints, applying them in turn.
1034     for (unsigned i = 0, e = Constraints.size(); i != e; ++i) {
1035       Constraint &C = Constraints[i];
1036       switch (C.Type) {
1037       case Constraint::Copy:
1038         Changed |= C.Dest->copyFrom(C.Src);
1039         break;
1040       case Constraint::Load:
1041         Changed |= C.Dest->loadFrom(C.Src);
1042         break;
1043       case Constraint::Store:
1044         Changed |= C.Dest->storeThrough(C.Src);
1045         break;
1046       default:
1047         assert(0 && "Unknown constraint!");
1048       }
1049     }
1050
1051     if (Changed) {
1052       // Check to see if any internal function's addresses have been passed to
1053       // external functions.  If so, we have to assume that their incoming
1054       // arguments could be anything.  If there are any internal functions in
1055       // the universal node that we don't know about, we must iterate.
1056       for (Node::iterator I = GraphNodes[UniversalSet].begin(),
1057              E = GraphNodes[UniversalSet].end(); I != E; ++I)
1058         if (Function *F = dyn_cast_or_null<Function>((*I)->getValue()))
1059           if (F->hasInternalLinkage() &&
1060               EscapingInternalFunctions.insert(F).second) {
1061             // We found a function that is just now escaping.  Mark it as if it
1062             // didn't have internal linkage.
1063             AddConstraintsForNonInternalLinkage(F);
1064             DOUT << "Found escaping internal function: " << F->getName() <<"\n";
1065             ++NumEscapingFunctions;
1066           }
1067
1068       // Check to see if we have discovered any new callees of the indirect call
1069       // sites.  If so, add constraints to the analysis.
1070       for (unsigned i = 0, e = IndirectCalls.size(); i != e; ++i) {
1071         CallSite CS = IndirectCalls[i];
1072         std::vector<Function*> &KnownCallees = IndirectCallees[CS];
1073         Node *CN = getNode(CS.getCalledValue());
1074
1075         for (Node::iterator NI = CN->begin(), E = CN->end(); NI != E; ++NI)
1076           if (Function *F = dyn_cast_or_null<Function>((*NI)->getValue())) {
1077             std::vector<Function*>::iterator IP =
1078               std::lower_bound(KnownCallees.begin(), KnownCallees.end(), F);
1079             if (IP == KnownCallees.end() || *IP != F) {
1080               // Add the constraints for the call now.
1081               AddConstraintsForCall(CS, F);
1082               DOUT << "Found actual callee '"
1083                    << F->getName() << "' for call: "
1084                    << *CS.getInstruction() << "\n";
1085               ++NumIndirectCallees;
1086               KnownCallees.insert(IP, F);
1087             }
1088           }
1089       }
1090     }
1091   }
1092 }
1093
1094
1095
1096 //===----------------------------------------------------------------------===//
1097 //                               Debugging Output
1098 //===----------------------------------------------------------------------===//
1099
1100 void Andersens::PrintNode(Node *N) {
1101   if (N == &GraphNodes[UniversalSet]) {
1102     cerr << "<universal>";
1103     return;
1104   } else if (N == &GraphNodes[NullPtr]) {
1105     cerr << "<nullptr>";
1106     return;
1107   } else if (N == &GraphNodes[NullObject]) {
1108     cerr << "<null>";
1109     return;
1110   }
1111
1112   assert(N->getValue() != 0 && "Never set node label!");
1113   Value *V = N->getValue();
1114   if (Function *F = dyn_cast<Function>(V)) {
1115     if (isa<PointerType>(F->getFunctionType()->getReturnType()) &&
1116         N == getReturnNode(F)) {
1117       cerr << F->getName() << ":retval";
1118       return;
1119     } else if (F->getFunctionType()->isVarArg() && N == getVarargNode(F)) {
1120       cerr << F->getName() << ":vararg";
1121       return;
1122     }
1123   }
1124
1125   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1126     cerr << I->getParent()->getParent()->getName() << ":";
1127   else if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V))
1128     cerr << Arg->getParent()->getName() << ":";
1129
1130   if (V->hasName())
1131     cerr << V->getName();
1132   else
1133     cerr << "(unnamed)";
1134
1135   if (isa<GlobalValue>(V) || isa<AllocationInst>(V))
1136     if (N == getObject(V))
1137       cerr << "<mem>";
1138 }
1139
1140 void Andersens::PrintConstraints() {
1141   cerr << "Constraints:\n";
1142   for (unsigned i = 0, e = Constraints.size(); i != e; ++i) {
1143     cerr << "  #" << i << ":  ";
1144     Constraint &C = Constraints[i];
1145     if (C.Type == Constraint::Store)
1146       cerr << "*";
1147     PrintNode(C.Dest);
1148     cerr << " = ";
1149     if (C.Type == Constraint::Load)
1150       cerr << "*";
1151     PrintNode(C.Src);
1152     cerr << "\n";
1153   }
1154 }
1155
1156 void Andersens::PrintPointsToGraph() {
1157   cerr << "Points-to graph:\n";
1158   for (unsigned i = 0, e = GraphNodes.size(); i != e; ++i) {
1159     Node *N = &GraphNodes[i];
1160     cerr << "[" << (N->end() - N->begin()) << "] ";
1161     PrintNode(N);
1162     cerr << "\t--> ";
1163     for (Node::iterator I = N->begin(), E = N->end(); I != E; ++I) {
1164       if (I != N->begin()) cerr << ", ";
1165       PrintNode(*I);
1166     }
1167     cerr << "\n";
1168   }
1169 }