lib/Transforms/Instrumentation/InstrProfiling.cpp

   1 //===-- InstrProfiling.cpp - Frontend instrumentation based profiling -----===//
   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 pass lowers instrprof_* intrinsics emitted by a frontend for profiling.
  11 // It also builds the data structures and initialization code needed for
  12 // updating execution counts and emitting the profile at runtime.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #include "llvm/ADT/Triple.h"
  17 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  18 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  19 #include "llvm/IR/Module.h"
  20 #include "llvm/ProfileData/InstrProf.h"
  21 #include "llvm/Transforms/Instrumentation.h"
  22 #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h"
  23
  24 using namespace llvm;
  25
  26 #define DEBUG_TYPE "instrprof"
  27
  28 namespace {
  29
  30 class InstrProfiling : public ModulePass {
  31 public:
  32   static char ID;
  33
  34   InstrProfiling() : ModulePass(ID) {}
  35
  36   InstrProfiling(const InstrProfOptions &Options)
  37       : ModulePass(ID), Options(Options) {}
  38
  39   const char *getPassName() const override {
  40     return "Frontend instrumentation-based coverage lowering";
  41   }
  42
  43   bool runOnModule(Module &M) override;
  44
  45   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
  46     AU.setPreservesCFG();
  47   }
  48
  49 private:
  50   InstrProfOptions Options;
  51   Module *M;
  52   typedef struct PerFunctionProfileData {
  53     uint32_t NumValueSites[IPVK_Last+1];
  54     GlobalVariable* RegionCounters;
  55     GlobalVariable* DataVar;
  56     PerFunctionProfileData() : RegionCounters(nullptr), DataVar(nullptr) {
  57       memset(NumValueSites, 0, sizeof(uint32_t) * (IPVK_Last+1));
  58     }
  59   } PerFunctionProfileData;
  60   DenseMap<GlobalVariable *, PerFunctionProfileData> ProfileDataMap;
  61   std::vector<Value *> UsedVars;
  62
  63   bool isMachO() const {
  64     return Triple(M->getTargetTriple()).isOSBinFormatMachO();
  65   }
  66
  67   /// Get the section name for the counter variables.
  68   StringRef getCountersSection() const {
  69     return getInstrProfCountersSectionName(isMachO());
  70   }
  71
  72   /// Get the section name for the name variables.
  73   StringRef getNameSection() const {
  74     return getInstrProfNameSectionName(isMachO());
  75   }
  76
  77   /// Get the section name for the profile data variables.
  78   StringRef getDataSection() const {
  79     return getInstrProfDataSectionName(isMachO());
  80   }
  81
  82   /// Get the section name for the coverage mapping data.
  83   StringRef getCoverageSection() const {
  84     return getInstrProfCoverageSectionName(isMachO());
  85   }
  86
  87   /// Count the number of instrumented value sites for the function.
  88   void computeNumValueSiteCounts(InstrProfValueProfileInst *Ins);
  89
  90   /// Replace instrprof_value_profile with a call to runtime library.
  91   void lowerValueProfileInst(InstrProfValueProfileInst *Ins);
  92
  93   /// Replace instrprof_increment with an increment of the appropriate value.
  94   void lowerIncrement(InstrProfIncrementInst *Inc);
  95
  96   /// Set up the section and uses for coverage data and its references.
  97   void lowerCoverageData(GlobalVariable *CoverageData);
  98
  99   /// Get the region counters for an increment, creating them if necessary.
 100   ///
 101   /// If the counter array doesn't yet exist, the profile data variables
 102   /// referring to them will also be created.
 103   GlobalVariable *getOrCreateRegionCounters(InstrProfIncrementInst *Inc);
 104
 105   /// Emit runtime registration functions for each profile data variable.
 106   void emitRegistration();
 107
 108   /// Emit the necessary plumbing to pull in the runtime initialization.
 109   void emitRuntimeHook();
 110
 111   /// Add uses of our data variables and runtime hook.
 112   void emitUses();
 113
 114   /// Create a static initializer for our data, on platforms that need it,
 115   /// and for any profile output file that was specified.
 116   void emitInitialization();
 117 };
 118
 119 } // anonymous namespace
 120
 121 char InstrProfiling::ID = 0;
 122 INITIALIZE_PASS(InstrProfiling, "instrprof",
 123                 "Frontend instrumentation-based coverage lowering.", false,
 124                 false)
 125
 126 ModulePass *llvm::createInstrProfilingPass(const InstrProfOptions &Options) {
 127   return new InstrProfiling(Options);
 128 }
 129
 130 bool InstrProfiling::runOnModule(Module &M) {
 131   bool MadeChange = false;
 132
 133   this->M = &M;
 134   ProfileDataMap.clear();
 135   UsedVars.clear();
 136
 137   // We did not know how many value sites there would be inside
 138   // the instrumented function. This is counting the number of instrumented
 139   // target value sites to enter it as field in the profile data variable.
 140   for (Function &F : M)
 141     for (BasicBlock &BB : F)
 142       for (auto I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E;)
 143         if (auto *Ind = dyn_cast<InstrProfValueProfileInst>(I++))
 144           computeNumValueSiteCounts(Ind);
 145
 146   for (Function &F : M)
 147     for (BasicBlock &BB : F)
 148       for (auto I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E;) {
 149         auto Instr = I++;
 150         if (auto *Inc = dyn_cast<InstrProfIncrementInst>(Instr)) {
 151           lowerIncrement(Inc);
 152           MadeChange = true;
 153         } else if (auto *Ind = dyn_cast<InstrProfValueProfileInst>(Instr)) {
 154           lowerValueProfileInst(Ind);
 155           MadeChange = true;
 156         }
 157       }
 158
 159   if (GlobalVariable *Coverage =
 160           M.getNamedGlobal(getCoverageMappingVarName())) {
 161     lowerCoverageData(Coverage);
 162     MadeChange = true;
 163   }
 164
 165   if (!MadeChange)
 166     return false;
 167
 168   emitRegistration();
 169   emitRuntimeHook();
 170   emitUses();
 171   emitInitialization();
 172   return true;
 173 }
 174
 175 static Constant *getOrInsertValueProfilingCall(Module &M) {
 176   LLVMContext &Ctx = M.getContext();
 177   auto *ReturnTy = Type::getVoidTy(M.getContext());
 178   Type *ParamTypes[] = {
 179 #define VALUE_PROF_FUNC_PARAM(ParamType, ParamName, ParamLLVMType) ParamLLVMType
 180 #include "llvm/ProfileData/InstrProfData.inc"
 181   };
 182   auto *ValueProfilingCallTy =
 183       FunctionType::get(ReturnTy, makeArrayRef(ParamTypes), false);
 184   return M.getOrInsertFunction(getInstrProfValueProfFuncName(),
 185                                ValueProfilingCallTy);
 186 }
 187
 188 void InstrProfiling::computeNumValueSiteCounts(InstrProfValueProfileInst *Ind) {
 189
 190   GlobalVariable *Name = Ind->getName();
 191   uint64_t ValueKind = Ind->getValueKind()->getZExtValue();
 192   uint64_t Index = Ind->getIndex()->getZExtValue();
 193   auto It = ProfileDataMap.find(Name);
 194   if (It == ProfileDataMap.end()) {
 195     PerFunctionProfileData PD;
 196     PD.NumValueSites[ValueKind] = Index + 1;
 197     ProfileDataMap[Name] = PD;
 198   } else if (It->second.NumValueSites[ValueKind] <= Index)
 199     It->second.NumValueSites[ValueKind] = Index + 1;
 200 }
 201
 202 void InstrProfiling::lowerValueProfileInst(InstrProfValueProfileInst *Ind) {
 203
 204   GlobalVariable *Name = Ind->getName();
 205   auto It = ProfileDataMap.find(Name);
 206   assert(It != ProfileDataMap.end() && It->second.DataVar &&
 207     "value profiling detected in function with no counter incerement");
 208
 209   GlobalVariable *DataVar = It->second.DataVar;
 210   uint64_t ValueKind = Ind->getValueKind()->getZExtValue();
 211   uint64_t Index = Ind->getIndex()->getZExtValue();
 212   for (uint32_t Kind = IPVK_First; Kind < ValueKind; ++Kind)
 213     Index += It->second.NumValueSites[Kind];
 214
 215   IRBuilder<> Builder(Ind);
 216   Value* Args[3] = {Ind->getTargetValue(),
 217       Builder.CreateBitCast(DataVar, Builder.getInt8PtrTy()),
 218       Builder.getInt32(Index)};
 219   Ind->replaceAllUsesWith(
 220       Builder.CreateCall(getOrInsertValueProfilingCall(*M), Args));
 221   Ind->eraseFromParent();
 222 }
 223
 224 void InstrProfiling::lowerIncrement(InstrProfIncrementInst *Inc) {
 225   GlobalVariable *Counters = getOrCreateRegionCounters(Inc);
 226
 227   IRBuilder<> Builder(Inc);
 228   uint64_t Index = Inc->getIndex()->getZExtValue();
 229   Value *Addr = Builder.CreateConstInBoundsGEP2_64(Counters, 0, Index);
 230   Value *Count = Builder.CreateLoad(Addr, "pgocount");
 231   Count = Builder.CreateAdd(Count, Builder.getInt64(1));
 232   Inc->replaceAllUsesWith(Builder.CreateStore(Count, Addr));
 233   Inc->eraseFromParent();
 234 }
 235
 236 void InstrProfiling::lowerCoverageData(GlobalVariable *CoverageData) {
 237
 238   Constant *Init = CoverageData->getInitializer();
 239   // We're expecting { [4 x 32], [n x { i8*, i32, i32 }], [m x i8] }
 240   // for some C. If not, the frontend's given us something broken.
 241   assert(Init->getNumOperands() == 3 && "bad number of fields in coverage map");
 242   assert(isa<ConstantArray>(Init->getAggregateElement(1)) &&
 243          "invalid function list in coverage map");
 244   ConstantArray *Records = cast<ConstantArray>(Init->getAggregateElement(1));
 245   for (unsigned I = 0, E = Records->getNumOperands(); I < E; ++I) {
 246     Constant *Record = Records->getOperand(I);
 247     Value *V = const_cast<Value *>(Record->getOperand(0))->stripPointerCasts();
 248
 249     assert(isa<GlobalVariable>(V) && "Missing reference to function name");
 250     GlobalVariable *Name = cast<GlobalVariable>(V);
 251
 252     // If we have region counters for this name, we've already handled it.
 253     auto It = ProfileDataMap.find(Name);
 254     if (It != ProfileDataMap.end())
 255       if (It->second.RegionCounters)
 256         continue;
 257
 258     // Move the name variable to the right section.
 259     Name->setSection(getNameSection());
 260     Name->setAlignment(1);
 261   }
 262 }
 263
 264 /// Get the name of a profiling variable for a particular function.
 265 static std::string getVarName(InstrProfIncrementInst *Inc, StringRef Prefix) {
 266   StringRef NamePrefix = getInstrProfNameVarPrefix();
 267   StringRef Name = Inc->getName()->getName().substr(NamePrefix.size());
 268   return (Prefix + Name).str();
 269 }
 270
 271 static inline bool shouldRecordFunctionAddr(Function *F) {
 272   // Check the linkage
 273   if (!F->hasLinkOnceLinkage() && !F->hasLocalLinkage() &&
 274       !F->hasAvailableExternallyLinkage())
 275     return true;
 276   // Check uses of this function for other than direct calls or invokes to it.
 277   return F->hasAddressTaken();
 278 }
 279
 280 static inline Comdat *getOrCreateProfileComdat(Module &M,
 281                                                InstrProfIncrementInst *Inc) {
 282   // COFF format requires a COMDAT section to have a key symbol with the same
 283   // name. The linker targeting COFF also requires that the COMDAT section
 284   // a section is associated to must precede the associating section. For this
 285   // reason, we must choose the name var's name as the name of the comdat.
 286   StringRef ComdatPrefix = (Triple(M.getTargetTriple()).isOSBinFormatCOFF()
 287                                 ? getInstrProfNameVarPrefix()
 288                                 : getInstrProfComdatPrefix());
 289   return M.getOrInsertComdat(StringRef(getVarName(Inc, ComdatPrefix)));
 290 }
 291
 292 GlobalVariable *
 293 InstrProfiling::getOrCreateRegionCounters(InstrProfIncrementInst *Inc) {
 294   GlobalVariable *NamePtr = Inc->getName();
 295   auto It = ProfileDataMap.find(NamePtr);
 296   PerFunctionProfileData PD;
 297   if (It != ProfileDataMap.end()) {
 298     if (It->second.RegionCounters)
 299       return It->second.RegionCounters;
 300     PD = It->second;
 301   }
 302
 303   // Move the name variable to the right section. Place them in a COMDAT group
 304   // if the associated function is a COMDAT. This will make sure that
 305   // only one copy of counters of the COMDAT function will be emitted after
 306   // linking.
 307   Function *Fn = Inc->getParent()->getParent();
 308   Comdat *ProfileVarsComdat = nullptr;
 309   if (Fn->hasComdat())
 310     ProfileVarsComdat = getOrCreateProfileComdat(*M, Inc);
 311   NamePtr->setSection(getNameSection());
 312   NamePtr->setAlignment(1);
 313   NamePtr->setComdat(ProfileVarsComdat);
 314
 315   uint64_t NumCounters = Inc->getNumCounters()->getZExtValue();
 316   LLVMContext &Ctx = M->getContext();
 317   ArrayType *CounterTy = ArrayType::get(Type::getInt64Ty(Ctx), NumCounters);
 318
 319   // Create the counters variable.
 320   auto *CounterPtr =
 321       new GlobalVariable(*M, CounterTy, false, NamePtr->getLinkage(),
 322                          Constant::getNullValue(CounterTy),
 323                          getVarName(Inc, getInstrProfCountersVarPrefix()));
 324   CounterPtr->setVisibility(NamePtr->getVisibility());
 325   CounterPtr->setSection(getCountersSection());
 326   CounterPtr->setAlignment(8);
 327   CounterPtr->setComdat(ProfileVarsComdat);
 328
 329   // Create data variable.
 330   auto *Int8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(Ctx);
 331   auto *Int16Ty = Type::getInt16Ty(Ctx);
 332   auto *Int16ArrayTy = ArrayType::get(Int16Ty, IPVK_Last+1);
 333   Type *DataTypes[] = {
 334     #define INSTR_PROF_DATA(Type, LLVMType, Name, Init) LLVMType,
 335     #include "llvm/ProfileData/InstrProfData.inc"
 336   };
 337   auto *DataTy = StructType::get(Ctx, makeArrayRef(DataTypes));
 338
 339   Constant *FunctionAddr = shouldRecordFunctionAddr(Fn) ?
 340                            ConstantExpr::getBitCast(Fn, Int8PtrTy) :
 341                            ConstantPointerNull::get(Int8PtrTy);
 342
 343   Constant *Int16ArrayVals[IPVK_Last+1];
 344   for (uint32_t Kind = IPVK_First; Kind <= IPVK_Last; ++Kind)
 345     Int16ArrayVals[Kind] = ConstantInt::get(Int16Ty, PD.NumValueSites[Kind]);
 346
 347   Constant *DataVals[] = {
 348     #define INSTR_PROF_DATA(Type, LLVMType, Name, Init) Init,
 349     #include "llvm/ProfileData/InstrProfData.inc"
 350   };
 351   auto *Data = new GlobalVariable(*M, DataTy, false, NamePtr->getLinkage(),
 352                                   ConstantStruct::get(DataTy, DataVals),
 353                                   getVarName(Inc, getInstrProfDataVarPrefix()));
 354   Data->setVisibility(NamePtr->getVisibility());
 355   Data->setSection(getDataSection());
 356   Data->setAlignment(INSTR_PROF_DATA_ALIGNMENT);
 357   Data->setComdat(ProfileVarsComdat);
 358
 359   PD.RegionCounters = CounterPtr;
 360   PD.DataVar = Data;
 361   ProfileDataMap[NamePtr] = PD;
 362
 363   // Mark the data variable as used so that it isn't stripped out.
 364   UsedVars.push_back(Data);
 365
 366   return CounterPtr;
 367 }
 368
 369 void InstrProfiling::emitRegistration() {
 370   // Don't do this for Darwin.  compiler-rt uses linker magic.
 371   if (Triple(M->getTargetTriple()).isOSDarwin())
 372     return;
 373
 374   // Use linker script magic to get data/cnts/name start/end.
 375   if (Triple(M->getTargetTriple()).isOSLinux() ||
 376       Triple(M->getTargetTriple()).isOSFreeBSD())
 377     return;
 378
 379   // Construct the function.
 380   auto *VoidTy = Type::getVoidTy(M->getContext());
 381   auto *VoidPtrTy = Type::getInt8PtrTy(M->getContext());
 382   auto *RegisterFTy = FunctionType::get(VoidTy, false);
 383   auto *RegisterF = Function::Create(RegisterFTy, GlobalValue::InternalLinkage,
 384                                      getInstrProfRegFuncsName(), M);
 385   RegisterF->setUnnamedAddr(true);
 386   if (Options.NoRedZone) RegisterF->addFnAttr(Attribute::NoRedZone);
 387
 388   auto *RuntimeRegisterTy = FunctionType::get(VoidTy, VoidPtrTy, false);
 389   auto *RuntimeRegisterF =
 390       Function::Create(RuntimeRegisterTy, GlobalVariable::ExternalLinkage,
 391                        getInstrProfRegFuncName(), M);
 392
 393   IRBuilder<> IRB(BasicBlock::Create(M->getContext(), "", RegisterF));
 394   for (Value *Data : UsedVars)
 395     IRB.CreateCall(RuntimeRegisterF, IRB.CreateBitCast(Data, VoidPtrTy));
 396   IRB.CreateRetVoid();
 397 }
 398
 399 void InstrProfiling::emitRuntimeHook() {
 400
 401   // We expect the linker to be invoked with -u<hook_var> flag for linux,
 402   // for which case there is no need to emit the user function.
 403   if (Triple(M->getTargetTriple()).isOSLinux())
 404     return;
 405
 406   // If the module's provided its own runtime, we don't need to do anything.
 407   if (M->getGlobalVariable(getInstrProfRuntimeHookVarName())) return;
 408
 409   // Declare an external variable that will pull in the runtime initialization.
 410   auto *Int32Ty = Type::getInt32Ty(M->getContext());
 411   auto *Var =
 412       new GlobalVariable(*M, Int32Ty, false, GlobalValue::ExternalLinkage,
 413                          nullptr, getInstrProfRuntimeHookVarName());
 414
 415   // Make a function that uses it.
 416   auto *User = Function::Create(FunctionType::get(Int32Ty, false),
 417                                 GlobalValue::LinkOnceODRLinkage,
 418                                 getInstrProfRuntimeHookVarUseFuncName(), M);
 419   User->addFnAttr(Attribute::NoInline);
 420   if (Options.NoRedZone) User->addFnAttr(Attribute::NoRedZone);
 421   User->setVisibility(GlobalValue::HiddenVisibility);
 422
 423   IRBuilder<> IRB(BasicBlock::Create(M->getContext(), "", User));
 424   auto *Load = IRB.CreateLoad(Var);
 425   IRB.CreateRet(Load);
 426
 427   // Mark the user variable as used so that it isn't stripped out.
 428   UsedVars.push_back(User);
 429 }
 430
 431 void InstrProfiling::emitUses() {
 432   if (UsedVars.empty())
 433     return;
 434
 435   GlobalVariable *LLVMUsed = M->getGlobalVariable("llvm.used");
 436   std::vector<Constant *> MergedVars;
 437   if (LLVMUsed) {
 438     // Collect the existing members of llvm.used.
 439     ConstantArray *Inits = cast<ConstantArray>(LLVMUsed->getInitializer());
 440     for (unsigned I = 0, E = Inits->getNumOperands(); I != E; ++I)
 441       MergedVars.push_back(Inits->getOperand(I));
 442     LLVMUsed->eraseFromParent();
 443   }
 444
 445   Type *i8PTy = Type::getInt8PtrTy(M->getContext());
 446   // Add uses for our data.
 447   for (auto *Value : UsedVars)
 448     MergedVars.push_back(
 449         ConstantExpr::getBitCast(cast<Constant>(Value), i8PTy));
 450
 451   // Recreate llvm.used.
 452   ArrayType *ATy = ArrayType::get(i8PTy, MergedVars.size());
 453   LLVMUsed =
 454       new GlobalVariable(*M, ATy, false, GlobalValue::AppendingLinkage,
 455                          ConstantArray::get(ATy, MergedVars), "llvm.used");
 456   LLVMUsed->setSection("llvm.metadata");
 457 }
 458
 459 void InstrProfiling::emitInitialization() {
 460   std::string InstrProfileOutput = Options.InstrProfileOutput;
 461
 462   Constant *RegisterF = M->getFunction(getInstrProfRegFuncsName());
 463   if (!RegisterF && InstrProfileOutput.empty()) return;
 464
 465   // Create the initialization function.
 466   auto *VoidTy = Type::getVoidTy(M->getContext());
 467   auto *F = Function::Create(FunctionType::get(VoidTy, false),
 468                              GlobalValue::InternalLinkage,
 469                              getInstrProfInitFuncName(), M);
 470   F->setUnnamedAddr(true);
 471   F->addFnAttr(Attribute::NoInline);
 472   if (Options.NoRedZone) F->addFnAttr(Attribute::NoRedZone);
 473
 474   // Add the basic block and the necessary calls.
 475   IRBuilder<> IRB(BasicBlock::Create(M->getContext(), "", F));
 476   if (RegisterF)
 477     IRB.CreateCall(RegisterF, {});
 478   if (!InstrProfileOutput.empty()) {
 479     auto *Int8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(M->getContext());
 480     auto *SetNameTy = FunctionType::get(VoidTy, Int8PtrTy, false);
 481     auto *SetNameF = Function::Create(SetNameTy, GlobalValue::ExternalLinkage,
 482                                       getInstrProfFileOverriderFuncName(), M);
 483
 484     // Create variable for profile name.
 485     Constant *ProfileNameConst =
 486         ConstantDataArray::getString(M->getContext(), InstrProfileOutput, true);
 487     GlobalVariable *ProfileName =
 488         new GlobalVariable(*M, ProfileNameConst->getType(), true,
 489                            GlobalValue::PrivateLinkage, ProfileNameConst);
 490
 491     IRB.CreateCall(SetNameF, IRB.CreatePointerCast(ProfileName, Int8PtrTy));
 492   }
 493   IRB.CreateRetVoid();
 494
 495   appendToGlobalCtors(*M, F, 0);
 496 }