PHI nodes are not allowed to exist with zero incoming values, check that
[oota-llvm.git] / lib / VMCore / Verifier.cpp
1 //===-- Verifier.cpp - Implement the Module Verifier -------------*- C++ -*-==//
2 //
3 // This file defines the function verifier interface, that can be used for some
4 // sanity checking of input to the system.
5 //
6 // Note that this does not provide full 'java style' security and verifications,
7 // instead it just tries to ensure that code is well formed.
8 //
9 //  * Both of a binary operator's parameters are the same type
10 //  * Verify that the indices of mem access instructions match other operands
11 //  * Verify that arithmetic and other things are only performed on first class
12 //    types.  Verify that shifts & logicals only happen on integrals f.e.
13 //  . All of the constants in a switch statement are of the correct type
14 //  * The code is in valid SSA form
15 //  . It should be illegal to put a label into any other type (like a structure)
16 //    or to return one. [except constant arrays!]
17 //  * Only phi nodes can be self referential: 'add int %0, %0 ; <int>:0' is bad
18 //  * PHI nodes must have an entry for each predecessor, with no extras.
19 //  * PHI nodes must be the first thing in a basic block, all grouped together
20 //  * PHI nodes must have at least one entry
21 //  * All basic blocks should only end with terminator insts, not contain them
22 //  * The entry node to a function must not have predecessors
23 //  * All Instructions must be embeded into a basic block
24 //  . Function's cannot take a void typed parameter
25 //  * Verify that a function's argument list agrees with it's declared type.
26 //  . Verify that arrays and structures have fixed elements: No unsized arrays.
27 //  * It is illegal to specify a name for a void value.
28 //  * It is illegal to have a internal function that is just a declaration
29 //  * It is illegal to have a ret instruction that returns a value that does not
30 //    agree with the function return value type.
31 //  * Function call argument types match the function prototype
32 //  * All other things that are tested by asserts spread about the code...
33 //
34 //===----------------------------------------------------------------------===//
35
36 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
37 #include "llvm/Pass.h"
38 #include "llvm/Module.h"
39 #include "llvm/DerivedTypes.h"
40 #include "llvm/iPHINode.h"
41 #include "llvm/iTerminators.h"
42 #include "llvm/iOther.h"
43 #include "llvm/iOperators.h"
44 #include "llvm/iMemory.h"
45 #include "llvm/SymbolTable.h"
46 #include "llvm/PassManager.h"
47 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
50 #include "Support/STLExtras.h"
51 #include <algorithm>
52
53 namespace {  // Anonymous namespace for class
54
55   struct Verifier : public FunctionPass, InstVisitor<Verifier> {
56     bool Broken;          // Is this module found to be broken?
57     bool RealPass;        // Are we not being run by a PassManager?
58     bool AbortBroken;     // If broken, should it or should it not abort?
59     
60     DominatorSet *DS; // Dominator set, caution can be null!
61
62     Verifier() : Broken(false), RealPass(true), AbortBroken(true), DS(0) {}
63     Verifier(bool AB) : Broken(false), RealPass(true), AbortBroken(AB), DS(0) {}
64     Verifier(DominatorSet &ds) 
65       : Broken(false), RealPass(false), AbortBroken(false), DS(&ds) {}
66
67
68     bool doInitialization(Module &M) {
69       verifySymbolTable(M.getSymbolTable());
70
71       // If this is a real pass, in a pass manager, we must abort before
72       // returning back to the pass manager, or else the pass manager may try to
73       // run other passes on the broken module.
74       //
75       if (RealPass)
76         abortIfBroken();
77       return false;
78     }
79
80     bool runOnFunction(Function &F) {
81       // Get dominator information if we are being run by PassManager
82       if (RealPass) DS = &getAnalysis<DominatorSet>();
83       visit(F);
84
85       // If this is a real pass, in a pass manager, we must abort before
86       // returning back to the pass manager, or else the pass manager may try to
87       // run other passes on the broken module.
88       //
89       if (RealPass)
90         abortIfBroken();
91
92       return false;
93     }
94
95     bool doFinalization(Module &M) {
96       // Scan through, checking all of the external function's linkage now...
97       for (Module::iterator I = M.begin(), E = M.end(); I != E; ++I)
98         if (I->isExternal() && I->hasInternalLinkage())
99           CheckFailed("Function Declaration has Internal Linkage!", I);
100
101       // If the module is broken, abort at this time.
102       abortIfBroken();
103       return false;
104     }
105
106     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
107       AU.setPreservesAll();
108       if (RealPass)
109         AU.addRequired<DominatorSet>();
110     }
111
112     // abortIfBroken - If the module is broken and we are supposed to abort on
113     // this condition, do so.
114     //
115     void abortIfBroken() const {
116       if (Broken && AbortBroken) {
117         std::cerr << "Broken module found, compilation aborted!\n";
118         abort();
119       }
120     }
121
122     // Verification methods...
123     void verifySymbolTable(SymbolTable *ST);
124     void visitFunction(Function &F);
125     void visitBasicBlock(BasicBlock &BB);
126     void visitPHINode(PHINode &PN);
127     void visitBinaryOperator(BinaryOperator &B);
128     void visitShiftInst(ShiftInst &SI);
129     void visitCallInst(CallInst &CI);
130     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEP);
131     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
132     void visitStoreInst(StoreInst &SI);
133     void visitInstruction(Instruction &I);
134     void visitTerminatorInst(TerminatorInst &I);
135     void visitReturnInst(ReturnInst &RI);
136
137     // CheckFailed - A check failed, so print out the condition and the message
138     // that failed.  This provides a nice place to put a breakpoint if you want
139     // to see why something is not correct.
140     //
141     inline void CheckFailed(const std::string &Message,
142                             const Value *V1 = 0, const Value *V2 = 0,
143                             const Value *V3 = 0, const Value *V4 = 0) {
144       std::cerr << Message << "\n";
145       if (V1) std::cerr << *V1 << "\n";
146       if (V2) std::cerr << *V2 << "\n";
147       if (V3) std::cerr << *V3 << "\n";
148       if (V4) std::cerr << *V4 << "\n";
149       Broken = true;
150     }
151   };
152
153   RegisterPass<Verifier> X("verify", "Module Verifier");
154 }
155
156 // Assert - We know that cond should be true, if not print an error message.
157 #define Assert(C, M) \
158   do { if (!(C)) { CheckFailed(M); return; } } while (0)
159 #define Assert1(C, M, V1) \
160   do { if (!(C)) { CheckFailed(M, V1); return; } } while (0)
161 #define Assert2(C, M, V1, V2) \
162   do { if (!(C)) { CheckFailed(M, V1, V2); return; } } while (0)
163 #define Assert3(C, M, V1, V2, V3) \
164   do { if (!(C)) { CheckFailed(M, V1, V2, V3); return; } } while (0)
165 #define Assert4(C, M, V1, V2, V3, V4) \
166   do { if (!(C)) { CheckFailed(M, V1, V2, V3, V4); return; } } while (0)
167
168
169 // verifySymbolTable - Verify that a function or module symbol table is ok
170 //
171 void Verifier::verifySymbolTable(SymbolTable *ST) {
172   if (ST == 0) return;   // No symbol table to process
173
174   // Loop over all of the types in the symbol table...
175   for (SymbolTable::iterator TI = ST->begin(), TE = ST->end(); TI != TE; ++TI)
176     for (SymbolTable::type_iterator I = TI->second.begin(),
177            E = TI->second.end(); I != E; ++I) {
178       Value *V = I->second;
179
180       // Check that there are no void typed values in the symbol table.  Values
181       // with a void type cannot be put into symbol tables because they cannot
182       // have names!
183       Assert1(V->getType() != Type::VoidTy,
184               "Values with void type are not allowed to have names!", V);
185     }
186 }
187
188
189 // visitFunction - Verify that a function is ok.
190 //
191 void Verifier::visitFunction(Function &F) {
192   if (F.isExternal()) return;
193
194   verifySymbolTable(F.getSymbolTable());
195
196   // Check function arguments...
197   const FunctionType *FT = F.getFunctionType();
198   unsigned NumArgs = F.getArgumentList().size();
199
200   Assert2(!FT->isVarArg(), "Cannot define varargs functions in LLVM!", &F, FT);
201   Assert2(FT->getParamTypes().size() == NumArgs,
202           "# formal arguments must match # of arguments for function type!",
203           &F, FT);
204
205   // Check that the argument values match the function type for this function...
206   if (FT->getParamTypes().size() == NumArgs) {
207     unsigned i = 0;
208     for (Function::aiterator I = F.abegin(), E = F.aend(); I != E; ++I, ++i)
209       Assert2(I->getType() == FT->getParamType(i),
210               "Argument value does not match function argument type!",
211               I, FT->getParamType(i));
212   }
213
214   // Check the entry node
215   BasicBlock *Entry = &F.getEntryNode();
216   Assert1(pred_begin(Entry) == pred_end(Entry),
217           "Entry block to function must not have predecessors!", Entry);
218 }
219
220
221 // verifyBasicBlock - Verify that a basic block is well formed...
222 //
223 void Verifier::visitBasicBlock(BasicBlock &BB) {
224   // Ensure that basic blocks have terminators!
225   Assert1(BB.getTerminator(), "Basic Block does not have terminator!", &BB);
226 }
227
228 void Verifier::visitTerminatorInst(TerminatorInst &I) {
229   // Ensure that terminators only exist at the end of the basic block.
230   Assert1(&I == I.getParent()->getTerminator(),
231           "Terminator found in the middle of a basic block!", I.getParent());
232   visitInstruction(I);
233 }
234
235 void Verifier::visitReturnInst(ReturnInst &RI) {
236   Function *F = RI.getParent()->getParent();
237   if (RI.getNumOperands() == 0)
238     Assert1(F->getReturnType() == Type::VoidTy,
239             "Function returns no value, but ret instruction found that does!",
240             &RI);
241   else
242     Assert2(F->getReturnType() == RI.getOperand(0)->getType(),
243             "Function return type does not match operand "
244             "type of return inst!", &RI, F->getReturnType());
245
246   // Check to make sure that the return value has neccesary properties for
247   // terminators...
248   visitTerminatorInst(RI);
249 }
250
251
252 // visitPHINode - Ensure that a PHI node is well formed.
253 void Verifier::visitPHINode(PHINode &PN) {
254   // Ensure that the PHI nodes are all grouped together at the top of the block.
255   // This can be tested by checking whether the instruction before this is
256   // either nonexistant (because this is begin()) or is a PHI node.  If not,
257   // then there is some other instruction before a PHI.
258   Assert2(PN.getPrev() == 0 || isa<PHINode>(PN.getPrev()),
259           "PHI nodes not grouped at top of basic block!",
260           &PN, PN.getParent());
261
262   // Ensure that PHI nodes have at least one entry!
263   Assert1(PN.getNumIncomingValues() != 0,
264           "PHI nodes must have at least one entry.  If the block is dead, "
265           "the PHI should be removed!",
266           &PN);
267
268   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(PN.getParent()),
269                                  pred_end(PN.getParent()));
270   // Loop over all of the incoming values, make sure that there are
271   // predecessors for each one...
272   //
273   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
274     // Make sure all of the incoming values are the right types...
275     Assert2(PN.getType() == PN.getIncomingValue(i)->getType(),
276             "PHI node argument type does not agree with PHI node type!",
277             &PN, PN.getIncomingValue(i));
278
279     BasicBlock *BB = PN.getIncomingBlock(i);
280     std::vector<BasicBlock*>::iterator PI =
281       find(Preds.begin(), Preds.end(), BB);
282     Assert2(PI != Preds.end(), "PHI node has entry for basic block that"
283             " is not a predecessor!", &PN, BB);
284     Preds.erase(PI);
285   }
286   
287   // There should be no entries left in the predecessor list...
288   for (std::vector<BasicBlock*>::iterator I = Preds.begin(),
289          E = Preds.end(); I != E; ++I)
290     Assert2(0, "PHI node does not have entry for a predecessor basic block!",
291             &PN, *I);
292
293   // Now we go through and check to make sure that if there is more than one
294   // entry for a particular basic block in this PHI node, that the incoming
295   // values are all identical.
296   //
297   std::vector<std::pair<BasicBlock*, Value*> > Values;
298   Values.reserve(PN.getNumIncomingValues());
299   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
300     Values.push_back(std::make_pair(PN.getIncomingBlock(i),
301                                     PN.getIncomingValue(i)));
302
303   // Sort the Values vector so that identical basic block entries are adjacent.
304   std::sort(Values.begin(), Values.end());
305
306   // Check for identical basic blocks with differing incoming values...
307   for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
308     Assert4(Values[i].first  != Values[i-1].first ||
309             Values[i].second == Values[i-1].second,
310             "PHI node has multiple entries for the same basic block with "
311             "different incoming values!", &PN, Values[i].first,
312             Values[i].second, Values[i-1].second);
313
314   visitInstruction(PN);
315 }
316
317 void Verifier::visitCallInst(CallInst &CI) {
318   Assert1(isa<PointerType>(CI.getOperand(0)->getType()),
319           "Called function must be a pointer!", &CI);
320   const PointerType *FPTy = cast<PointerType>(CI.getOperand(0)->getType());
321   Assert1(isa<FunctionType>(FPTy->getElementType()),
322           "Called function is not pointer to function type!", &CI);
323
324   const FunctionType *FTy = cast<FunctionType>(FPTy->getElementType());
325
326   // Verify that the correct number of arguments are being passed
327   if (FTy->isVarArg())
328     Assert1(CI.getNumOperands()-1 >= FTy->getNumParams(),
329             "Called function requires more parameters than were provided!",&CI);
330   else
331     Assert1(CI.getNumOperands()-1 == FTy->getNumParams(),
332             "Incorrect number of arguments passed to called function!", &CI);
333
334   // Verify that all arguments to the call match the function type...
335   for (unsigned i = 0, e = FTy->getNumParams(); i != e; ++i)
336     Assert2(CI.getOperand(i+1)->getType() == FTy->getParamType(i),
337             "Call parameter type does not match function signature!",
338             CI.getOperand(i+1), FTy->getParamType(i));
339
340   visitInstruction(CI);
341 }
342
343 // visitBinaryOperator - Check that both arguments to the binary operator are
344 // of the same type!
345 //
346 void Verifier::visitBinaryOperator(BinaryOperator &B) {
347   Assert1(B.getOperand(0)->getType() == B.getOperand(1)->getType(),
348           "Both operands to a binary operator are not of the same type!", &B);
349
350   // Check that logical operators are only used with integral operands.
351   if (B.getOpcode() == Instruction::And || B.getOpcode() == Instruction::Or ||
352       B.getOpcode() == Instruction::Xor) {
353     Assert1(B.getType()->isIntegral(),
354             "Logical operators only work with integral types!", &B);
355     Assert1(B.getType() == B.getOperand(0)->getType(),
356             "Logical operators must have same type for operands and result!",
357             &B);
358   } else if (isa<SetCondInst>(B)) {
359     // Check that setcc instructions return bool
360     Assert1(B.getType() == Type::BoolTy,
361             "setcc instructions must return boolean values!", &B);
362   } else {
363     // Arithmetic operators only work on integer or fp values
364     Assert1(B.getType() == B.getOperand(0)->getType(),
365             "Arithmetic operators must have same type for operands and result!",
366             &B);
367     Assert1(B.getType()->isInteger() || B.getType()->isFloatingPoint(),
368             "Arithmetic operators must have integer or fp type!", &B);
369   }
370   
371   visitInstruction(B);
372 }
373
374 void Verifier::visitShiftInst(ShiftInst &SI) {
375   Assert1(SI.getType()->isInteger(),
376           "Shift must return an integer result!", &SI);
377   Assert1(SI.getType() == SI.getOperand(0)->getType(),
378           "Shift return type must be same as first operand!", &SI);
379   Assert1(SI.getOperand(1)->getType() == Type::UByteTy,
380           "Second operand to shift must be ubyte type!", &SI);
381   visitInstruction(SI);
382 }
383
384
385
386 void Verifier::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEP) {
387   const Type *ElTy =
388     GetElementPtrInst::getIndexedType(GEP.getOperand(0)->getType(),
389                    std::vector<Value*>(GEP.idx_begin(), GEP.idx_end()), true);
390   Assert1(ElTy, "Invalid indices for GEP pointer type!", &GEP);
391   Assert2(PointerType::get(ElTy) == GEP.getType(),
392           "GEP is not of right type for indices!", &GEP, ElTy);
393   visitInstruction(GEP);
394 }
395
396 void Verifier::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
397   const Type *ElTy =
398     cast<PointerType>(LI.getOperand(0)->getType())->getElementType();
399   Assert2(ElTy == LI.getType(),
400           "Load is not of right type for indices!", &LI, ElTy);
401   visitInstruction(LI);
402 }
403
404 void Verifier::visitStoreInst(StoreInst &SI) {
405   const Type *ElTy =
406     cast<PointerType>(SI.getOperand(1)->getType())->getElementType();
407   Assert2(ElTy == SI.getOperand(0)->getType(),
408           "Stored value is not of right type for indices!", &SI, ElTy);
409   visitInstruction(SI);
410 }
411
412
413 // verifyInstruction - Verify that an instruction is well formed.
414 //
415 void Verifier::visitInstruction(Instruction &I) {
416   BasicBlock *BB = I.getParent();  
417   Assert1(BB, "Instruction not embedded in basic block!", &I);
418
419   // Check that all uses of the instruction, if they are instructions
420   // themselves, actually have parent basic blocks.  If the use is not an
421   // instruction, it is an error!
422   //
423   for (User::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
424        UI != UE; ++UI) {
425     Assert1(isa<Instruction>(*UI), "Use of instruction is not an instruction!",
426             *UI);
427     Instruction *Used = cast<Instruction>(*UI);
428     Assert2(Used->getParent() != 0, "Instruction referencing instruction not"
429             " embeded in a basic block!", &I, Used);
430   }
431
432   if (!isa<PHINode>(I)) {   // Check that non-phi nodes are not self referential
433     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
434          UI != UE; ++UI)
435       Assert1(*UI != (User*)&I,
436               "Only PHI nodes may reference their own value!", &I);
437   }
438
439   // Check that void typed values don't have names
440   Assert1(I.getType() != Type::VoidTy || !I.hasName(),
441           "Instruction has a name, but provides a void value!", &I);
442
443   // Check that a definition dominates all of its uses.
444   //
445   for (User::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
446        UI != UE; ++UI) {
447     Instruction *Use = cast<Instruction>(*UI);
448       
449     // PHI nodes are more difficult than other nodes because they actually
450     // "use" the value in the predecessor basic blocks they correspond to.
451     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Use)) {
452       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
453         if (&I == PN->getIncomingValue(i)) {
454           // Make sure that I dominates the end of pred(i)
455           BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
456           
457           // Use must be dominated by by definition unless use is unreachable!
458           Assert2(DS->dominates(BB, Pred) ||
459                   !DS->dominates(&BB->getParent()->getEntryNode(), Pred),
460                   "Instruction does not dominate all uses!",
461                   &I, PN);
462         }
463
464     } else {
465       // Use must be dominated by by definition unless use is unreachable!
466       Assert2(DS->dominates(&I, Use) ||
467               !DS->dominates(&BB->getParent()->getEntryNode(),Use->getParent()),
468               "Instruction does not dominate all uses!", &I, Use);
469     }
470   }
471 }
472
473
474 //===----------------------------------------------------------------------===//
475 //  Implement the public interfaces to this file...
476 //===----------------------------------------------------------------------===//
477
478 Pass *createVerifierPass() {
479   return new Verifier();
480 }
481
482
483 // verifyFunction - Create 
484 bool verifyFunction(const Function &f) {
485   Function &F = (Function&)f;
486   assert(!F.isExternal() && "Cannot verify external functions");
487
488   DominatorSet DS;
489   DS.doInitialization(*F.getParent());
490   DS.runOnFunction(F);
491
492   Verifier V(DS);
493   V.runOnFunction(F);
494
495   DS.doFinalization(*F.getParent());
496
497   return V.Broken;
498 }
499
500 // verifyModule - Check a module for errors, printing messages on stderr.
501 // Return true if the module is corrupt.
502 //
503 bool verifyModule(const Module &M) {
504   PassManager PM;
505   Verifier *V = new Verifier();
506   PM.add(V);
507   PM.run((Module&)M);
508   return V->Broken;
509 }