[PM] Remove a failed attempt to port the CallGraph analysis to the new
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / IPA / GlobalsModRef.cpp
1 //===- GlobalsModRef.cpp - Simple Mod/Ref Analysis for Globals ------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This simple pass provides alias and mod/ref information for global values
11 // that do not have their address taken, and keeps track of whether functions
12 // read or write memory (are "pure").  For this simple (but very common) case,
13 // we can provide pretty accurate and useful information.
14 //
15 //===----------------------------------------------------------------------===//
16
17 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
18 #include "llvm/ADT/SCCIterator.h"
19 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
20 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
21 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
22 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
23 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
24 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
25 #include "llvm/IR/Constants.h"
26 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
27 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
28 #include "llvm/IR/Instructions.h"
29 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
30 #include "llvm/IR/Module.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
33 #include <list>
34 using namespace llvm;
35
36 #define DEBUG_TYPE "globalsmodref-aa"
37
38 STATISTIC(NumNonAddrTakenGlobalVars,
39           "Number of global vars without address taken");
40 STATISTIC(NumNonAddrTakenFunctions,"Number of functions without address taken");
41 STATISTIC(NumNoMemFunctions, "Number of functions that do not access memory");
42 STATISTIC(NumReadMemFunctions, "Number of functions that only read memory");
43 STATISTIC(NumIndirectGlobalVars, "Number of indirect global objects");
44
45 // An option to enable unsafe alias results from the GlobalsModRef analysis.
46 // When enabled, GlobalsModRef will provide no-alias results which in extremely
47 // rare cases may not be conservatively correct. In particular, in the face of
48 // transforms which cause assymetry between how effective GetUnderlyingObject
49 // is for two pointers, it may produce incorrect results.
50 //
51 // These unsafe results have been returned by GMR for many years without
52 // causing significant issues in the wild and so we provide a mechanism to
53 // re-enable them for users of LLVM that have a particular performance
54 // sensitivity and no known issues. The option also makes it easy to evaluate
55 // the performance impact of these results.
56 static cl::opt<bool> EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults(
57     "enable-unsafe-globalsmodref-alias-results", cl::init(false), cl::Hidden);
58
59 namespace {
60 /// The mod/ref information collected for a particular function.
61 ///
62 /// We collect information about mod/ref behavior of a function here, both in
63 /// general and as pertains to specific globals. We only have this detailed
64 /// information when we know *something* useful about the behavior. If we
65 /// saturate to fully general mod/ref, we remove the info for the function.
66 class FunctionInfo {
67   typedef SmallDenseMap<const GlobalValue *, ModRefInfo, 16> GlobalInfoMapType;
68
69   /// Build a wrapper struct that has 8-byte alignment. All heap allocations
70   /// should provide this much alignment at least, but this makes it clear we
71   /// specifically rely on this amount of alignment.
72   struct LLVM_ALIGNAS(8) AlignedMap {
73     AlignedMap() {}
74     AlignedMap(const AlignedMap &Arg) : Map(Arg.Map) {}
75     GlobalInfoMapType Map;
76   };
77
78   /// Pointer traits for our aligned map.
79   struct AlignedMapPointerTraits {
80     static inline void *getAsVoidPointer(AlignedMap *P) { return P; }
81     static inline AlignedMap *getFromVoidPointer(void *P) {
82       return (AlignedMap *)P;
83     }
84     enum { NumLowBitsAvailable = 3 };
85     static_assert(AlignOf<AlignedMap>::Alignment >= (1 << NumLowBitsAvailable),
86                   "AlignedMap insufficiently aligned to have enough low bits.");
87   };
88
89   /// The bit that flags that this function may read any global. This is
90   /// chosen to mix together with ModRefInfo bits.
91   enum { MayReadAnyGlobal = 4 };
92
93   /// Checks to document the invariants of the bit packing here.
94   static_assert((MayReadAnyGlobal & MRI_ModRef) == 0,
95                 "ModRef and the MayReadAnyGlobal flag bits overlap.");
96   static_assert(((MayReadAnyGlobal | MRI_ModRef) >>
97                  AlignedMapPointerTraits::NumLowBitsAvailable) == 0,
98                 "Insufficient low bits to store our flag and ModRef info.");
99
100 public:
101   FunctionInfo() : Info() {}
102   ~FunctionInfo() {
103     delete Info.getPointer();
104   }
105   // Spell out the copy ond move constructors and assignment operators to get
106   // deep copy semantics and correct move semantics in the face of the
107   // pointer-int pair.
108   FunctionInfo(const FunctionInfo &Arg)
109       : Info(nullptr, Arg.Info.getInt()) {
110     if (const auto *ArgPtr = Arg.Info.getPointer())
111       Info.setPointer(new AlignedMap(*ArgPtr));
112   }
113   FunctionInfo(FunctionInfo &&Arg)
114       : Info(Arg.Info.getPointer(), Arg.Info.getInt()) {
115     Arg.Info.setPointerAndInt(nullptr, 0);
116   }
117   FunctionInfo &operator=(const FunctionInfo &RHS) {
118     delete Info.getPointer();
119     Info.setPointerAndInt(nullptr, RHS.Info.getInt());
120     if (const auto *RHSPtr = RHS.Info.getPointer())
121       Info.setPointer(new AlignedMap(*RHSPtr));
122     return *this;
123   }
124   FunctionInfo &operator=(FunctionInfo &&RHS) {
125     delete Info.getPointer();
126     Info.setPointerAndInt(RHS.Info.getPointer(), RHS.Info.getInt());
127     RHS.Info.setPointerAndInt(nullptr, 0);
128     return *this;
129   }
130
131   /// Returns the \c ModRefInfo info for this function.
132   ModRefInfo getModRefInfo() const {
133     return ModRefInfo(Info.getInt() & MRI_ModRef);
134   }
135
136   /// Adds new \c ModRefInfo for this function to its state.
137   void addModRefInfo(ModRefInfo NewMRI) {
138     Info.setInt(Info.getInt() | NewMRI);
139   }
140
141   /// Returns whether this function may read any global variable, and we don't
142   /// know which global.
143   bool mayReadAnyGlobal() const { return Info.getInt() & MayReadAnyGlobal; }
144
145   /// Sets this function as potentially reading from any global.
146   void setMayReadAnyGlobal() { Info.setInt(Info.getInt() | MayReadAnyGlobal); }
147
148   /// Returns the \c ModRefInfo info for this function w.r.t. a particular
149   /// global, which may be more precise than the general information above.
150   ModRefInfo getModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV) const {
151     ModRefInfo GlobalMRI = mayReadAnyGlobal() ? MRI_Ref : MRI_NoModRef;
152     if (AlignedMap *P = Info.getPointer()) {
153       auto I = P->Map.find(&GV);
154       if (I != P->Map.end())
155         GlobalMRI = ModRefInfo(GlobalMRI | I->second);
156     }
157     return GlobalMRI;
158   }
159
160   /// Add mod/ref info from another function into ours, saturating towards
161   /// MRI_ModRef.
162   void addFunctionInfo(const FunctionInfo &FI) {
163     addModRefInfo(FI.getModRefInfo());
164
165     if (FI.mayReadAnyGlobal())
166       setMayReadAnyGlobal();
167
168     if (AlignedMap *P = FI.Info.getPointer())
169       for (const auto &G : P->Map)
170         addModRefInfoForGlobal(*G.first, G.second);
171   }
172
173   void addModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV, ModRefInfo NewMRI) {
174     AlignedMap *P = Info.getPointer();
175     if (!P) {
176       P = new AlignedMap();
177       Info.setPointer(P);
178     }
179     auto &GlobalMRI = P->Map[&GV];
180     GlobalMRI = ModRefInfo(GlobalMRI | NewMRI);
181   }
182
183   /// Clear a global's ModRef info. Should be used when a global is being
184   /// deleted.
185   void eraseModRefInfoForGlobal(const GlobalValue &GV) {
186     if (AlignedMap *P = Info.getPointer())
187       P->Map.erase(&GV);
188   }
189
190 private:
191   /// All of the information is encoded into a single pointer, with a three bit
192   /// integer in the low three bits. The high bit provides a flag for when this
193   /// function may read any global. The low two bits are the ModRefInfo. And
194   /// the pointer, when non-null, points to a map from GlobalValue to
195   /// ModRefInfo specific to that GlobalValue.
196   PointerIntPair<AlignedMap *, 3, unsigned, AlignedMapPointerTraits> Info;
197 };
198
199 /// GlobalsModRef - The actual analysis pass.
200 class GlobalsModRef : public ModulePass, public AliasAnalysis {
201   /// The globals that do not have their addresses taken.
202   SmallPtrSet<const GlobalValue *, 8> NonAddressTakenGlobals;
203
204   /// IndirectGlobals - The memory pointed to by this global is known to be
205   /// 'owned' by the global.
206   SmallPtrSet<const GlobalValue *, 8> IndirectGlobals;
207
208   /// AllocsForIndirectGlobals - If an instruction allocates memory for an
209   /// indirect global, this map indicates which one.
210   DenseMap<const Value *, const GlobalValue *> AllocsForIndirectGlobals;
211
212   /// For each function, keep track of what globals are modified or read.
213   DenseMap<const Function *, FunctionInfo> FunctionInfos;
214
215   /// Handle to clear this analysis on deletion of values.
216   struct DeletionCallbackHandle final : CallbackVH {
217     GlobalsModRef &GMR;
218     std::list<DeletionCallbackHandle>::iterator I;
219
220     DeletionCallbackHandle(GlobalsModRef &GMR, Value *V)
221         : CallbackVH(V), GMR(GMR) {}
222
223     void deleted() override {
224       Value *V = getValPtr();
225       if (auto *F = dyn_cast<Function>(V))
226         GMR.FunctionInfos.erase(F);
227
228       if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) {
229         if (GMR.NonAddressTakenGlobals.erase(GV)) {
230           // This global might be an indirect global.  If so, remove it and
231           // remove any AllocRelatedValues for it.
232           if (GMR.IndirectGlobals.erase(GV)) {
233             // Remove any entries in AllocsForIndirectGlobals for this global.
234             for (auto I = GMR.AllocsForIndirectGlobals.begin(),
235                       E = GMR.AllocsForIndirectGlobals.end();
236                  I != E; ++I)
237               if (I->second == GV)
238                 GMR.AllocsForIndirectGlobals.erase(I);
239           }
240
241           // Scan the function info we have collected and remove this global
242           // from all of them.
243           for (auto &FIPair : GMR.FunctionInfos)
244             FIPair.second.eraseModRefInfoForGlobal(*GV);
245         }
246       }
247
248       // If this is an allocation related to an indirect global, remove it.
249       GMR.AllocsForIndirectGlobals.erase(V);
250
251       // And clear out the handle.
252       setValPtr(nullptr);
253       GMR.Handles.erase(I);
254       // This object is now destroyed!
255     }
256   };
257
258   /// List of callbacks for globals being tracked by this analysis. Note that
259   /// these objects are quite large, but we only anticipate having one per
260   /// global tracked by this analysis. There are numerous optimizations we
261   /// could perform to the memory utilization here if this becomes a problem.
262   std::list<DeletionCallbackHandle> Handles;
263
264 public:
265   static char ID;
266   GlobalsModRef() : ModulePass(ID) {
267     initializeGlobalsModRefPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
268   }
269
270   bool runOnModule(Module &M) override {
271     InitializeAliasAnalysis(this, &M.getDataLayout());
272
273     // Find non-addr taken globals.
274     AnalyzeGlobals(M);
275
276     // Propagate on CG.
277     AnalyzeCallGraph(getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph(), M);
278     return false;
279   }
280
281   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
282     AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
283     AU.addRequired<CallGraphWrapperPass>();
284     AU.setPreservesAll(); // Does not transform code
285   }
286
287   /// getAdjustedAnalysisPointer - This method is used when a pass implements
288   /// an analysis interface through multiple inheritance.  If needed, it
289   /// should override this to adjust the this pointer as needed for the
290   /// specified pass info.
291   void *getAdjustedAnalysisPointer(AnalysisID PI) override {
292     if (PI == &AliasAnalysis::ID)
293       return (AliasAnalysis *)this;
294     return this;
295   }
296
297   //------------------------------------------------
298   // Implement the AliasAnalysis API
299   //
300   AliasResult alias(const MemoryLocation &LocA,
301                     const MemoryLocation &LocB) override;
302   ModRefInfo getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
303                            const MemoryLocation &Loc) override;
304   ModRefInfo getModRefInfo(ImmutableCallSite CS1,
305                            ImmutableCallSite CS2) override {
306     return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS1, CS2);
307   }
308
309   /// getModRefBehavior - Return the behavior of the specified function if
310   /// called from the specified call site.  The call site may be null in which
311   /// case the most generic behavior of this function should be returned.
312   FunctionModRefBehavior getModRefBehavior(const Function *F) override {
313     FunctionModRefBehavior Min = FMRB_UnknownModRefBehavior;
314
315     if (FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F)) {
316       if (FI->getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
317         Min = FMRB_DoesNotAccessMemory;
318       else if ((FI->getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
319         Min = FMRB_OnlyReadsMemory;
320     }
321
322     return FunctionModRefBehavior(AliasAnalysis::getModRefBehavior(F) & Min);
323   }
324
325   /// getModRefBehavior - Return the behavior of the specified function if
326   /// called from the specified call site.  The call site may be null in which
327   /// case the most generic behavior of this function should be returned.
328   FunctionModRefBehavior getModRefBehavior(ImmutableCallSite CS) override {
329     FunctionModRefBehavior Min = FMRB_UnknownModRefBehavior;
330
331     if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
332       if (FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F)) {
333         if (FI->getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
334           Min = FMRB_DoesNotAccessMemory;
335         else if ((FI->getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
336           Min = FMRB_OnlyReadsMemory;
337       }
338
339     return FunctionModRefBehavior(AliasAnalysis::getModRefBehavior(CS) & Min);
340   }
341
342 private:
343   /// Returns the function info for the function, or null if we don't have
344   /// anything useful to say about it.
345   FunctionInfo *getFunctionInfo(const Function *F) {
346     auto I = FunctionInfos.find(F);
347     if (I != FunctionInfos.end())
348       return &I->second;
349     return nullptr;
350   }
351
352   void AnalyzeGlobals(Module &M);
353   void AnalyzeCallGraph(CallGraph &CG, Module &M);
354   bool AnalyzeUsesOfPointer(Value *V,
355                             SmallPtrSetImpl<Function *> *Readers = nullptr,
356                             SmallPtrSetImpl<Function *> *Writers = nullptr,
357                             GlobalValue *OkayStoreDest = nullptr);
358   bool AnalyzeIndirectGlobalMemory(GlobalValue *GV);
359
360   bool isNonEscapingGlobalNoAlias(const GlobalValue *GV, const Value *V);
361 };
362 }
363
364 char GlobalsModRef::ID = 0;
365 INITIALIZE_AG_PASS_BEGIN(GlobalsModRef, AliasAnalysis, "globalsmodref-aa",
366                          "Simple mod/ref analysis for globals", false, true,
367                          false)
368 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
369 INITIALIZE_AG_PASS_END(GlobalsModRef, AliasAnalysis, "globalsmodref-aa",
370                        "Simple mod/ref analysis for globals", false, true,
371                        false)
372
373 Pass *llvm::createGlobalsModRefPass() { return new GlobalsModRef(); }
374
375 /// AnalyzeGlobals - Scan through the users of all of the internal
376 /// GlobalValue's in the program.  If none of them have their "address taken"
377 /// (really, their address passed to something nontrivial), record this fact,
378 /// and record the functions that they are used directly in.
379 void GlobalsModRef::AnalyzeGlobals(Module &M) {
380   SmallPtrSet<Function *, 64> TrackedFunctions;
381   for (Function &F : M)
382     if (F.hasLocalLinkage())
383       if (!AnalyzeUsesOfPointer(&F)) {
384         // Remember that we are tracking this global.
385         NonAddressTakenGlobals.insert(&F);
386         TrackedFunctions.insert(&F);
387         Handles.emplace_front(*this, &F);
388         Handles.front().I = Handles.begin();
389         ++NumNonAddrTakenFunctions;
390       }
391
392   SmallPtrSet<Function *, 64> Readers, Writers;
393   for (GlobalVariable &GV : M.globals())
394     if (GV.hasLocalLinkage()) {
395       if (!AnalyzeUsesOfPointer(&GV, &Readers,
396                                 GV.isConstant() ? nullptr : &Writers)) {
397         // Remember that we are tracking this global, and the mod/ref fns
398         NonAddressTakenGlobals.insert(&GV);
399         Handles.emplace_front(*this, &GV);
400         Handles.front().I = Handles.begin();
401
402         for (Function *Reader : Readers) {
403           if (TrackedFunctions.insert(Reader).second) {
404             Handles.emplace_front(*this, Reader);
405             Handles.front().I = Handles.begin();
406           }
407           FunctionInfos[Reader].addModRefInfoForGlobal(GV, MRI_Ref);
408         }
409
410         if (!GV.isConstant()) // No need to keep track of writers to constants
411           for (Function *Writer : Writers) {
412             if (TrackedFunctions.insert(Writer).second) {
413               Handles.emplace_front(*this, Writer);
414               Handles.front().I = Handles.begin();
415             }
416             FunctionInfos[Writer].addModRefInfoForGlobal(GV, MRI_Mod);
417           }
418         ++NumNonAddrTakenGlobalVars;
419
420         // If this global holds a pointer type, see if it is an indirect global.
421         if (GV.getType()->getElementType()->isPointerTy() &&
422             AnalyzeIndirectGlobalMemory(&GV))
423           ++NumIndirectGlobalVars;
424       }
425       Readers.clear();
426       Writers.clear();
427     }
428 }
429
430 /// AnalyzeUsesOfPointer - Look at all of the users of the specified pointer.
431 /// If this is used by anything complex (i.e., the address escapes), return
432 /// true.  Also, while we are at it, keep track of those functions that read and
433 /// write to the value.
434 ///
435 /// If OkayStoreDest is non-null, stores into this global are allowed.
436 bool GlobalsModRef::AnalyzeUsesOfPointer(Value *V,
437                                          SmallPtrSetImpl<Function *> *Readers,
438                                          SmallPtrSetImpl<Function *> *Writers,
439                                          GlobalValue *OkayStoreDest) {
440   if (!V->getType()->isPointerTy())
441     return true;
442
443   for (Use &U : V->uses()) {
444     User *I = U.getUser();
445     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
446       if (Readers)
447         Readers->insert(LI->getParent()->getParent());
448     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
449       if (V == SI->getOperand(1)) {
450         if (Writers)
451           Writers->insert(SI->getParent()->getParent());
452       } else if (SI->getOperand(1) != OkayStoreDest) {
453         return true; // Storing the pointer
454       }
455     } else if (Operator::getOpcode(I) == Instruction::GetElementPtr) {
456       if (AnalyzeUsesOfPointer(I, Readers, Writers))
457         return true;
458     } else if (Operator::getOpcode(I) == Instruction::BitCast) {
459       if (AnalyzeUsesOfPointer(I, Readers, Writers, OkayStoreDest))
460         return true;
461     } else if (auto CS = CallSite(I)) {
462       // Make sure that this is just the function being called, not that it is
463       // passing into the function.
464       if (!CS.isCallee(&U)) {
465         // Detect calls to free.
466         if (isFreeCall(I, TLI)) {
467           if (Writers)
468             Writers->insert(CS->getParent()->getParent());
469         } else {
470           return true; // Argument of an unknown call.
471         }
472       }
473     } else if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(I)) {
474       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
475         return true; // Allow comparison against null.
476     } else {
477       return true;
478     }
479   }
480
481   return false;
482 }
483
484 /// AnalyzeIndirectGlobalMemory - We found an non-address-taken global variable
485 /// which holds a pointer type.  See if the global always points to non-aliased
486 /// heap memory: that is, all initializers of the globals are allocations, and
487 /// those allocations have no use other than initialization of the global.
488 /// Further, all loads out of GV must directly use the memory, not store the
489 /// pointer somewhere.  If this is true, we consider the memory pointed to by
490 /// GV to be owned by GV and can disambiguate other pointers from it.
491 bool GlobalsModRef::AnalyzeIndirectGlobalMemory(GlobalValue *GV) {
492   // Keep track of values related to the allocation of the memory, f.e. the
493   // value produced by the malloc call and any casts.
494   std::vector<Value *> AllocRelatedValues;
495
496   // Walk the user list of the global.  If we find anything other than a direct
497   // load or store, bail out.
498   for (User *U : GV->users()) {
499     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
500       // The pointer loaded from the global can only be used in simple ways:
501       // we allow addressing of it and loading storing to it.  We do *not* allow
502       // storing the loaded pointer somewhere else or passing to a function.
503       if (AnalyzeUsesOfPointer(LI))
504         return false; // Loaded pointer escapes.
505       // TODO: Could try some IP mod/ref of the loaded pointer.
506     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
507       // Storing the global itself.
508       if (SI->getOperand(0) == GV)
509         return false;
510
511       // If storing the null pointer, ignore it.
512       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)))
513         continue;
514
515       // Check the value being stored.
516       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getOperand(0),
517                                        GV->getParent()->getDataLayout());
518
519       if (!isAllocLikeFn(Ptr, TLI))
520         return false; // Too hard to analyze.
521
522       // Analyze all uses of the allocation.  If any of them are used in a
523       // non-simple way (e.g. stored to another global) bail out.
524       if (AnalyzeUsesOfPointer(Ptr, /*Readers*/ nullptr, /*Writers*/ nullptr,
525                                GV))
526         return false; // Loaded pointer escapes.
527
528       // Remember that this allocation is related to the indirect global.
529       AllocRelatedValues.push_back(Ptr);
530     } else {
531       // Something complex, bail out.
532       return false;
533     }
534   }
535
536   // Okay, this is an indirect global.  Remember all of the allocations for
537   // this global in AllocsForIndirectGlobals.
538   while (!AllocRelatedValues.empty()) {
539     AllocsForIndirectGlobals[AllocRelatedValues.back()] = GV;
540     Handles.emplace_front(*this, AllocRelatedValues.back());
541     Handles.front().I = Handles.begin();
542     AllocRelatedValues.pop_back();
543   }
544   IndirectGlobals.insert(GV);
545   Handles.emplace_front(*this, GV);
546   Handles.front().I = Handles.begin();
547   return true;
548 }
549
550 /// AnalyzeCallGraph - At this point, we know the functions where globals are
551 /// immediately stored to and read from.  Propagate this information up the call
552 /// graph to all callers and compute the mod/ref info for all memory for each
553 /// function.
554 void GlobalsModRef::AnalyzeCallGraph(CallGraph &CG, Module &M) {
555   // We do a bottom-up SCC traversal of the call graph.  In other words, we
556   // visit all callees before callers (leaf-first).
557   for (scc_iterator<CallGraph *> I = scc_begin(&CG); !I.isAtEnd(); ++I) {
558     const std::vector<CallGraphNode *> &SCC = *I;
559     assert(!SCC.empty() && "SCC with no functions?");
560
561     if (!SCC[0]->getFunction()) {
562       // Calls externally - can't say anything useful.  Remove any existing
563       // function records (may have been created when scanning globals).
564       for (auto *Node : SCC)
565         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
566       continue;
567     }
568
569     FunctionInfo &FI = FunctionInfos[SCC[0]->getFunction()];
570     bool KnowNothing = false;
571
572     // Collect the mod/ref properties due to called functions.  We only compute
573     // one mod-ref set.
574     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e && !KnowNothing; ++i) {
575       Function *F = SCC[i]->getFunction();
576       if (!F) {
577         KnowNothing = true;
578         break;
579       }
580
581       if (F->isDeclaration()) {
582         // Try to get mod/ref behaviour from function attributes.
583         if (F->doesNotAccessMemory()) {
584           // Can't do better than that!
585         } else if (F->onlyReadsMemory()) {
586           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
587           if (!F->isIntrinsic())
588             // This function might call back into the module and read a global -
589             // consider every global as possibly being read by this function.
590             FI.setMayReadAnyGlobal();
591         } else {
592           FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
593           // Can't say anything useful unless it's an intrinsic - they don't
594           // read or write global variables of the kind considered here.
595           KnowNothing = !F->isIntrinsic();
596         }
597         continue;
598       }
599
600       for (CallGraphNode::iterator CI = SCC[i]->begin(), E = SCC[i]->end();
601            CI != E && !KnowNothing; ++CI)
602         if (Function *Callee = CI->second->getFunction()) {
603           if (FunctionInfo *CalleeFI = getFunctionInfo(Callee)) {
604             // Propagate function effect up.
605             FI.addFunctionInfo(*CalleeFI);
606           } else {
607             // Can't say anything about it.  However, if it is inside our SCC,
608             // then nothing needs to be done.
609             CallGraphNode *CalleeNode = CG[Callee];
610             if (std::find(SCC.begin(), SCC.end(), CalleeNode) == SCC.end())
611               KnowNothing = true;
612           }
613         } else {
614           KnowNothing = true;
615         }
616     }
617
618     // If we can't say anything useful about this SCC, remove all SCC functions
619     // from the FunctionInfos map.
620     if (KnowNothing) {
621       for (auto *Node : SCC)
622         FunctionInfos.erase(Node->getFunction());
623       continue;
624     }
625
626     // Scan the function bodies for explicit loads or stores.
627     for (auto *Node : SCC) {
628       if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
629         break; // The mod/ref lattice saturates here.
630       for (Instruction &I : inst_range(Node->getFunction())) {
631         if (FI.getModRefInfo() == MRI_ModRef)
632           break; // The mod/ref lattice saturates here.
633
634         // We handle calls specially because the graph-relevant aspects are
635         // handled above.
636         if (auto CS = CallSite(&I)) {
637           if (isAllocationFn(&I, TLI) || isFreeCall(&I, TLI)) {
638             // FIXME: It is completely unclear why this is necessary and not
639             // handled by the above graph code.
640             FI.addModRefInfo(MRI_ModRef);
641           } else if (Function *Callee = CS.getCalledFunction()) {
642             // The callgraph doesn't include intrinsic calls.
643             if (Callee->isIntrinsic()) {
644               FunctionModRefBehavior Behaviour =
645                   AliasAnalysis::getModRefBehavior(Callee);
646               FI.addModRefInfo(ModRefInfo(Behaviour & MRI_ModRef));
647             }
648           }
649           continue;
650         }
651
652         // All non-call instructions we use the primary predicates for whether
653         // thay read or write memory.
654         if (I.mayReadFromMemory())
655           FI.addModRefInfo(MRI_Ref);
656         if (I.mayWriteToMemory())
657           FI.addModRefInfo(MRI_Mod);
658       }
659     }
660
661     if ((FI.getModRefInfo() & MRI_Mod) == 0)
662       ++NumReadMemFunctions;
663     if (FI.getModRefInfo() == MRI_NoModRef)
664       ++NumNoMemFunctions;
665
666     // Finally, now that we know the full effect on this SCC, clone the
667     // information to each function in the SCC.
668     for (unsigned i = 1, e = SCC.size(); i != e; ++i)
669       FunctionInfos[SCC[i]->getFunction()] = FI;
670   }
671 }
672
673 // There are particular cases where we can conclude no-alias between
674 // a non-addr-taken global and some other underlying object. Specifically,
675 // a non-addr-taken global is known to not be escaped from any function. It is
676 // also incorrect for a transformation to introduce an escape of a global in
677 // a way that is observable when it was not there previously. One function
678 // being transformed to introduce an escape which could possibly be observed
679 // (via loading from a global or the return value for example) within another
680 // function is never safe. If the observation is made through non-atomic
681 // operations on different threads, it is a data-race and UB. If the
682 // observation is well defined, by being observed the transformation would have
683 // changed program behavior by introducing the observed escape, making it an
684 // invalid transform.
685 //
686 // This property does require that transformations which *temporarily* escape
687 // a global that was not previously escaped, prior to restoring it, cannot rely
688 // on the results of GMR::alias. This seems a reasonable restriction, although
689 // currently there is no way to enforce it. There is also no realistic
690 // optimization pass that would make this mistake. The closest example is
691 // a transformation pass which does reg2mem of SSA values but stores them into
692 // global variables temporarily before restoring the global variable's value.
693 // This could be useful to expose "benign" races for example. However, it seems
694 // reasonable to require that a pass which introduces escapes of global
695 // variables in this way to either not trust AA results while the escape is
696 // active, or to be forced to operate as a module pass that cannot co-exist
697 // with an alias analysis such as GMR.
698 bool GlobalsModRef::isNonEscapingGlobalNoAlias(const GlobalValue *GV,
699                                                const Value *V) {
700   // In order to know that the underlying object cannot alias the
701   // non-addr-taken global, we must know that it would have to be an escape.
702   // Thus if the underlying object is a function argument, a load from
703   // a global, or the return of a function, it cannot alias. We can also
704   // recurse through PHI nodes and select nodes provided all of their inputs
705   // resolve to one of these known-escaping roots.
706   SmallPtrSet<const Value *, 8> Visited;
707   SmallVector<const Value *, 8> Inputs;
708   Visited.insert(V);
709   Inputs.push_back(V);
710   int Depth = 0;
711   do {
712     const Value *Input = Inputs.pop_back_val();
713
714     if (auto *InputGV = dyn_cast<GlobalValue>(Input)) {
715       // If one input is the very global we're querying against, then we can't
716       // conclude no-alias.
717       if (InputGV == GV)
718         return false;
719
720       // FIXME: It would be good to handle other obvious no-alias cases here, but
721       // it isn't clear how to do so reasonbly without building a small version
722       // of BasicAA into this code. We could recurse into AliasAnalysis::alias
723       // here but that seems likely to go poorly as we're inside the
724       // implementation of such a query. Until then, just conservatievly retun
725       // false.
726       return false;
727     }
728
729     if (isa<Argument>(Input) || isa<CallInst>(Input) ||
730         isa<InvokeInst>(Input)) {
731       // Arguments to functions or returns from functions are inherently
732       // escaping, so we can immediately classify those as not aliasing any
733       // non-addr-taken globals.
734       continue;
735     }
736     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(Input)) {
737       // A pointer loaded from a global would have been captured, and we know
738       // that the global is non-escaping, so no alias.
739       if (isa<GlobalValue>(LI->getPointerOperand()))
740         continue;
741
742       // Otherwise, a load could come from anywhere, so bail.
743       return false;
744     }
745
746     // Recurse through a limited number of selects and PHIs. This is an
747     // arbitrary depth of 4, lower numbers could be used to fix compile time
748     // issues if needed, but this is generally expected to be only be important
749     // for small depths.
750     if (++Depth > 4)
751       return false;
752     if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(Input)) {
753       const Value *LHS = GetUnderlyingObject(SI->getTrueValue(), *DL);
754       const Value *RHS = GetUnderlyingObject(SI->getFalseValue(), *DL);
755       if (Visited.insert(LHS).second)
756         Inputs.push_back(LHS);
757       if (Visited.insert(RHS).second)
758         Inputs.push_back(RHS);
759       continue;
760     }
761     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(Input)) {
762       for (const Value *Op : PN->incoming_values()) {
763         Op = GetUnderlyingObject(Op, *DL);
764         if (Visited.insert(Op).second)
765           Inputs.push_back(Op);
766       }
767       continue;
768     }
769
770     // Unknown instruction, bail.
771     return false;
772   } while (!Inputs.empty());
773
774   // If all the inputs to V were definitively no-alias, then V is no-alias.
775   return true;
776 }
777
778 /// alias - If one of the pointers is to a global that we are tracking, and the
779 /// other is some random pointer, we know there cannot be an alias, because the
780 /// address of the global isn't taken.
781 AliasResult GlobalsModRef::alias(const MemoryLocation &LocA,
782                                  const MemoryLocation &LocB) {
783   // Get the base object these pointers point to.
784   const Value *UV1 = GetUnderlyingObject(LocA.Ptr, *DL);
785   const Value *UV2 = GetUnderlyingObject(LocB.Ptr, *DL);
786
787   // If either of the underlying values is a global, they may be non-addr-taken
788   // globals, which we can answer queries about.
789   const GlobalValue *GV1 = dyn_cast<GlobalValue>(UV1);
790   const GlobalValue *GV2 = dyn_cast<GlobalValue>(UV2);
791   if (GV1 || GV2) {
792     // If the global's address is taken, pretend we don't know it's a pointer to
793     // the global.
794     if (GV1 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV1))
795       GV1 = nullptr;
796     if (GV2 && !NonAddressTakenGlobals.count(GV2))
797       GV2 = nullptr;
798
799     // If the two pointers are derived from two different non-addr-taken
800     // globals we know these can't alias.
801     if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
802       return NoAlias;
803
804     // If one is and the other isn't, it isn't strictly safe but we can fake
805     // this result if necessary for performance. This does not appear to be
806     // a common problem in practice.
807     if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
808       if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
809         return NoAlias;
810
811     // Check for a special case where a non-escaping global can be used to
812     // conclude no-alias.
813     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2) {
814       const GlobalValue *GV = GV1 ? GV1 : GV2;
815       const Value *UV = GV1 ? UV2 : UV1;
816       if (isNonEscapingGlobalNoAlias(GV, UV))
817         return NoAlias;
818     }
819
820     // Otherwise if they are both derived from the same addr-taken global, we
821     // can't know the two accesses don't overlap.
822   }
823
824   // These pointers may be based on the memory owned by an indirect global.  If
825   // so, we may be able to handle this.  First check to see if the base pointer
826   // is a direct load from an indirect global.
827   GV1 = GV2 = nullptr;
828   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV1))
829     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
830       if (IndirectGlobals.count(GV))
831         GV1 = GV;
832   if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UV2))
833     if (const GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(LI->getOperand(0)))
834       if (IndirectGlobals.count(GV))
835         GV2 = GV;
836
837   // These pointers may also be from an allocation for the indirect global.  If
838   // so, also handle them.
839   if (!GV1)
840     GV1 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV1);
841   if (!GV2)
842     GV2 = AllocsForIndirectGlobals.lookup(UV2);
843
844   // Now that we know whether the two pointers are related to indirect globals,
845   // use this to disambiguate the pointers. If the pointers are based on
846   // different indirect globals they cannot alias.
847   if (GV1 && GV2 && GV1 != GV2)
848     return NoAlias;
849
850   // If one is based on an indirect global and the other isn't, it isn't
851   // strictly safe but we can fake this result if necessary for performance.
852   // This does not appear to be a common problem in practice.
853   if (EnableUnsafeGlobalsModRefAliasResults)
854     if ((GV1 || GV2) && GV1 != GV2)
855       return NoAlias;
856
857   return AliasAnalysis::alias(LocA, LocB);
858 }
859
860 ModRefInfo GlobalsModRef::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
861                                         const MemoryLocation &Loc) {
862   unsigned Known = MRI_ModRef;
863
864   // If we are asking for mod/ref info of a direct call with a pointer to a
865   // global we are tracking, return information if we have it.
866   const DataLayout &DL = CS.getCaller()->getParent()->getDataLayout();
867   if (const GlobalValue *GV =
868           dyn_cast<GlobalValue>(GetUnderlyingObject(Loc.Ptr, DL)))
869     if (GV->hasLocalLinkage())
870       if (const Function *F = CS.getCalledFunction())
871         if (NonAddressTakenGlobals.count(GV))
872           if (const FunctionInfo *FI = getFunctionInfo(F))
873             Known = FI->getModRefInfoForGlobal(*GV);
874
875   if (Known == MRI_NoModRef)
876     return MRI_NoModRef; // No need to query other mod/ref analyses
877   return ModRefInfo(Known & AliasAnalysis::getModRefInfo(CS, Loc));
878 }