lib/Analysis/TypeBasedAliasAnalysis.cpp

   1 //===- TypeBasedAliasAnalysis.cpp - Type-Based Alias Analysis -------------===//
   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 file defines the TypeBasedAliasAnalysis pass, which implements
  11 // metadata-based TBAA.
  12 //
  13 // In LLVM IR, memory does not have types, so LLVM's own type system is not
  14 // suitable for doing TBAA. Instead, metadata is added to the IR to describe
  15 // a type system of a higher level language. This can be used to implement
  16 // typical C/C++ TBAA, but it can also be used to implement custom alias
  17 // analysis behavior for other languages.
  18 //
  19 // The current metadata format is very simple. TBAA MDNodes have up to
  20 // three fields, e.g.:
  21 //   !0 = metadata !{ metadata !"an example type tree" }
  22 //   !1 = metadata !{ metadata !"int", metadata !0 }
  23 //   !2 = metadata !{ metadata !"float", metadata !0 }
  24 //   !3 = metadata !{ metadata !"const float", metadata !2, i64 1 }
  25 //
  26 // The first field is an identity field. It can be any value, usually
  27 // an MDString, which uniquely identifies the type. The most important
  28 // name in the tree is the name of the root node. Two trees with
  29 // different root node names are entirely disjoint, even if they
  30 // have leaves with common names.
  31 //
  32 // The second field identifies the type's parent node in the tree, or
  33 // is null or omitted for a root node. A type is considered to alias
  34 // all of its decendents and all of its ancestors in the tree. Also,
  35 // a type is considered to alias all types in other trees, so that
  36 // bitcode produced from multiple front-ends is handled conservatively.
  37 //
  38 // If the third field is present, it's an integer which if equal to 1
  39 // indicates that the type is "constant" (meaning pointsToConstantMemory
  40 // should return true; see
  41 // http://llvm.org/docs/AliasAnalysis.html#OtherItfs).
  42 //
  43 // TODO: The current metadata format doesn't support struct
  44 // fields. For example:
  45 //   struct X {
  46 //     double d;
  47 //     int i;
  48 //   };
  49 //   void foo(struct X *x, struct X *y, double *p) {
  50 //     *x = *y;
  51 //     *p = 0.0;
  52 //   }
  53 // Struct X has a double member, so the store to *x can alias the store to *p.
  54 // Currently it's not possible to precisely describe all the things struct X
  55 // aliases, so struct assignments must use conservative TBAA nodes. There's
  56 // no scheme for attaching metadata to @llvm.memcpy yet either.
  57 //
  58 //===----------------------------------------------------------------------===//
  59
  60 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  61 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
  62 #include "llvm/LLVMContext.h"
  63 #include "llvm/Module.h"
  64 #include "llvm/Metadata.h"
  65 #include "llvm/Pass.h"
  66 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  67 using namespace llvm;
  68
  69 // For testing purposes, enable TBAA only via a special option.
  70 static cl::opt<bool> EnableTBAA("enable-tbaa");
  71
  72 namespace {
  73   /// TBAANode - This is a simple wrapper around an MDNode which provides a
  74   /// higher-level interface by hiding the details of how alias analysis
  75   /// information is encoded in its operands.
  76   class TBAANode {
  77     const MDNode *Node;
  78
  79   public:
  80     TBAANode() : Node(0) {}
  81     explicit TBAANode(const MDNode *N) : Node(N) {}
  82
  83     /// getNode - Get the MDNode for this TBAANode.
  84     const MDNode *getNode() const { return Node; }
  85
  86     /// getParent - Get this TBAANode's Alias tree parent.
  87     TBAANode getParent() const {
  88       if (Node->getNumOperands() < 2)
  89         return TBAANode();
  90       MDNode *P = dyn_cast_or_null<MDNode>(Node->getOperand(1));
  91       if (!P)
  92         return TBAANode();
  93       // Ok, this node has a valid parent. Return it.
  94       return TBAANode(P);
  95     }
  96
  97     /// TypeIsImmutable - Test if this TBAANode represents a type for objects
  98     /// which are not modified (by any means) in the context where this
  99     /// AliasAnalysis is relevant.
 100     bool TypeIsImmutable() const {
 101       if (Node->getNumOperands() < 3)
 102         return false;
 103       ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Node->getOperand(2));
 104       if (!CI)
 105         return false;
 106       return CI->getValue()[0];
 107     }
 108   };
 109 }
 110
 111 namespace {
 112   /// TypeBasedAliasAnalysis - This is a simple alias analysis
 113   /// implementation that uses TypeBased to answer queries.
 114   class TypeBasedAliasAnalysis : public ImmutablePass,
 115                                  public AliasAnalysis {
 116   public:
 117     static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
 118     TypeBasedAliasAnalysis() : ImmutablePass(ID) {
 119       initializeTypeBasedAliasAnalysisPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 120     }
 121
 122     virtual void initializePass() {
 123       InitializeAliasAnalysis(this);
 124     }
 125
 126     /// getAdjustedAnalysisPointer - This method is used when a pass implements
 127     /// an analysis interface through multiple inheritance.  If needed, it
 128     /// should override this to adjust the this pointer as needed for the
 129     /// specified pass info.
 130     virtual void *getAdjustedAnalysisPointer(const void *PI) {
 131       if (PI == &AliasAnalysis::ID)
 132         return (AliasAnalysis*)this;
 133       return this;
 134     }
 135
 136     bool Aliases(const MDNode *A, const MDNode *B) const;
 137
 138   private:
 139     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
 140     virtual AliasResult alias(const Location &LocA, const Location &LocB);
 141     virtual bool pointsToConstantMemory(const Location &Loc, bool OrLocal);
 142     virtual ModRefBehavior getModRefBehavior(ImmutableCallSite CS);
 143     virtual ModRefBehavior getModRefBehavior(const Function *F);
 144     virtual ModRefResult getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
 145                                        const Location &Loc);
 146     virtual ModRefResult getModRefInfo(ImmutableCallSite CS1,
 147                                        ImmutableCallSite CS2);
 148   };
 149 }  // End of anonymous namespace
 150
 151 // Register this pass...
 152 char TypeBasedAliasAnalysis::ID = 0;
 153 INITIALIZE_AG_PASS(TypeBasedAliasAnalysis, AliasAnalysis, "tbaa",
 154                    "Type-Based Alias Analysis", false, true, false)
 155
 156 ImmutablePass *llvm::createTypeBasedAliasAnalysisPass() {
 157   return new TypeBasedAliasAnalysis();
 158 }
 159
 160 void
 161 TypeBasedAliasAnalysis::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 162   AU.setPreservesAll();
 163   AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
 164 }
 165
 166 /// Aliases - Test whether the type represented by A may alias the
 167 /// type represented by B.
 168 bool
 169 TypeBasedAliasAnalysis::Aliases(const MDNode *A,
 170                                 const MDNode *B) const {
 171   // Keep track of the root node for A and B.
 172   TBAANode RootA, RootB;
 173
 174   // Climb the tree from A to see if we reach B.
 175   for (TBAANode T(A); ; ) {
 176     if (T.getNode() == B)
 177       // B is an ancestor of A.
 178       return true;
 179
 180     RootA = T;
 181     T = T.getParent();
 182     if (!T.getNode())
 183       break;
 184   }
 185
 186   // Climb the tree from B to see if we reach A.
 187   for (TBAANode T(B); ; ) {
 188     if (T.getNode() == A)
 189       // A is an ancestor of B.
 190       return true;
 191
 192     RootB = T;
 193     T = T.getParent();
 194     if (!T.getNode())
 195       break;
 196   }
 197
 198   // Neither node is an ancestor of the other.
 199
 200   // If they have different roots, they're part of different potentially
 201   // unrelated type systems, so we must be conservative.
 202   if (RootA.getNode() != RootB.getNode())
 203     return true;
 204
 205   // If they have the same root, then we've proved there's no alias.
 206   return false;
 207 }
 208
 209 AliasAnalysis::AliasResult
 210 TypeBasedAliasAnalysis::alias(const Location &LocA,
 211                               const Location &LocB) {
 212   if (!EnableTBAA)
 213     return AliasAnalysis::alias(LocA, LocB);
 214
 215   // Get the attached MDNodes. If either value lacks a tbaa MDNode, we must
 216   // be conservative.
 217   const MDNode *AM = LocA.TBAATag;
 218   if (!AM) return AliasAnalysis::alias(LocA, LocB);
 219   const MDNode *BM = LocB.TBAATag;
 220   if (!BM) return AliasAnalysis::alias(LocA, LocB);
 221
 222   // If they may alias, chain to the next AliasAnalysis.
 223   if (Aliases(AM, BM))
 224     return AliasAnalysis::alias(LocA, LocB);
 225
 226   // Otherwise return a definitive result.
 227   return NoAlias;
 228 }
 229
 230 bool TypeBasedAliasAnalysis::pointsToConstantMemory(const Location &Loc,
 231                                                     bool OrLocal) {
 232   if (!EnableTBAA)
 233     return AliasAnalysis::pointsToConstantMemory(Loc, OrLocal);
 234
 235   const MDNode *M = Loc.TBAATag;
 236   if (!M) return AliasAnalysis::pointsToConstantMemory(Loc, OrLocal);
 237
 238   // If this is an "immutable" type, we can assume the pointer is pointing
 239   // to constant memory.
 240   if (TBAANode(M).TypeIsImmutable())
 241     return true;
 242
 243   return AliasAnalysis::pointsToConstantMemory(Loc, OrLocal);
 244 }
 245
 246 AliasAnalysis::ModRefBehavior
 247 TypeBasedAliasAnalysis::getModRefBehavior(ImmutableCallSite CS) {
 248   if (!EnableTBAA)
 249     return AliasAnalysis::getModRefBehavior(CS);
 250
 251   ModRefBehavior Min = UnknownModRefBehavior;
 252
 253   // If this is an "immutable" type, we can assume the call doesn't write
 254   // to memory.
 255   if (const MDNode *M = CS.getInstruction()->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa))
 256     if (TBAANode(M).TypeIsImmutable())
 257       Min = OnlyReadsMemory;
 258
 259   return std::min(AliasAnalysis::getModRefBehavior(CS), Min);
 260 }
 261
 262 AliasAnalysis::ModRefBehavior
 263 TypeBasedAliasAnalysis::getModRefBehavior(const Function *F) {
 264   return AliasAnalysis::getModRefBehavior(F);
 265 }
 266
 267 AliasAnalysis::ModRefResult
 268 TypeBasedAliasAnalysis::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS,
 269                                       const Location &Loc) {
 270   if (!EnableTBAA)
 271     return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS, Loc);
 272
 273   if (const MDNode *L = Loc.TBAATag)
 274     if (const MDNode *M =
 275           CS.getInstruction()->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa))
 276       if (!Aliases(L, M))
 277         return NoModRef;
 278
 279   return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS, Loc);
 280 }
 281
 282 AliasAnalysis::ModRefResult
 283 TypeBasedAliasAnalysis::getModRefInfo(ImmutableCallSite CS1,
 284                                       ImmutableCallSite CS2) {
 285   if (!EnableTBAA)
 286     return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS1, CS2);
 287
 288   if (const MDNode *M1 =
 289         CS1.getInstruction()->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa))
 290     if (const MDNode *M2 =
 291           CS2.getInstruction()->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa))
 292       if (!Aliases(M1, M2))
 293         return NoModRef;
 294
 295   return AliasAnalysis::getModRefInfo(CS1, CS2);
 296 }