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