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[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / CallGraph.h
index 0683623454c3242e5e5d05aed94a25cacdb25eee..386b39e6b105582986e73d0b3eee078cfec85030 100644 (file)
-//===- llvm/Analysis/CallGraph.h - Build a Module's call graph ---*- C++ -*--=//
+//===- CallGraph.h - Build a Module's call graph ----------------*- C++ -*-===//
 //
-// This interface is used to build and manipulate a call graph, which is a very 
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
+//
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+//
+// This interface is used to build and manipulate a call graph, which is a very
 // useful tool for interprocedural optimization.
 //
+// Every function in a module is represented as a node in the call graph.  The
+// callgraph node keeps track of which functions the are called by the function
+// corresponding to the node.
+//
+// A call graph may contain nodes where the function that they correspond to is
+// null.  These 'external' nodes are used to represent control flow that is not
+// represented (or analyzable) in the module.  In particular, this analysis
+// builds one external node such that:
+//   1. All functions in the module without internal linkage will have edges
+//      from this external node, indicating that they could be called by
+//      functions outside of the module.
+//   2. All functions whose address is used for something more than a direct
+//      call, for example being stored into a memory location will also have an
+//      edge from this external node.  Since they may be called by an unknown
+//      caller later, they must be tracked as such.
+//
+// There is a second external node added for calls that leave this module.
+// Functions have a call edge to the external node iff:
+//   1. The function is external, reflecting the fact that they could call
+//      anything without internal linkage or that has its address taken.
+//   2. The function contains an indirect function call.
+//
+// As an extension in the future, there may be multiple nodes with a null
+// function.  These will be used when we can prove (through pointer analysis)
+// that an indirect call site can call only a specific set of functions.
+//
+// Because of these properties, the CallGraph captures a conservative superset
+// of all of the caller-callee relationships, which is useful for
+// transformations.
+//
+// The CallGraph class also attempts to figure out what the root of the
+// CallGraph is, which it currently does by looking for a function named 'main'.
+// If no function named 'main' is found, the external node is used as the entry
+// node, reflecting the fact that any function without internal linkage could
+// be called into (which is common for libraries).
+//
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #ifndef LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
 #define LLVM_ANALYSIS_CALLGRAPH_H
 
+#include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
+#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/Support/CallSite.h"
+#include "llvm/Support/IncludeFile.h"
+#include "llvm/Support/ValueHandle.h"
 #include <map>
-#include <vector>
-class Method;
+
+namespace llvm {
+
+class Function;
 class Module;
+class CallGraphNode;
 
-namespace cfg {
+/// \brief The basic data container for the call graph and the \c ModulePass
+/// which produces it.
+///
+/// This class exposes both the interface to the call graph container and the
+/// module pass which runs over a module of IR and produces the call graph.
+///
+/// The core call graph itself can also be updated to reflect changes to the IR.
+class CallGraph : public ModulePass {
+  Module *M;
 
-class CallGraph;
-class CallGraphNode {
-  Method *Meth;
-  vector<CallGraphNode*> CalledMethods;
+  typedef std::map<const Function *, CallGraphNode *> FunctionMapTy;
 
-  CallGraphNode(const CallGraphNode &);           // Do not implement
-public:
-  typedef vector<CallGraphNode*>::iterator iterator;
-  typedef vector<CallGraphNode*>::const_iterator const_iterator;
+  /// \brief A map from \c Function* to \c CallGraphNode*.
+  FunctionMapTy FunctionMap;
 
-  // getMethod - Return the method that this call graph node represents...
-  Method *getMethod() const { return Meth; }
+  /// \brief Root is root of the call graph, or the external node if a 'main'
+  /// function couldn't be found.
+  CallGraphNode *Root;
 
-  inline iterator begin() { return CalledMethods.begin(); }
-  inline iterator end()   { return CalledMethods.end();   }
-  inline const_iterator begin() const { return CalledMethods.begin(); }
-  inline const_iterator end()   const { return CalledMethods.end();   }
-  inline unsigned size() const { return CalledMethods.size(); }
+  /// \brief This node has edges to all external functions and those internal
+  /// functions that have their address taken.
+  CallGraphNode *ExternalCallingNode;
 
-  inline CallGraphNode *operator[](unsigned i) const { return CalledMethods[i];}
+  /// \brief This node has edges to it from all functions making indirect calls
+  /// or calling an external function.
+  CallGraphNode *CallsExternalNode;
 
+  /// \brief Replace the function represented by this node by another.
+  ///
+  /// This does not rescan the body of the function, so it is suitable when
+  /// splicing the body of one function to another while also updating all
+  /// callers from the old function to the new.
+  void spliceFunction(const Function *From, const Function *To);
 
-private:                    // Stuff to construct the node, used by CallGraph
-  friend class CallGraph;
+  /// \brief Add a function to the call graph, and link the node to all of the
+  /// functions that it calls.
+  void addToCallGraph(Function *F);
+
+public:
+  static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
+
+  typedef FunctionMapTy::iterator iterator;
+  typedef FunctionMapTy::const_iterator const_iterator;
+
+  /// \brief Returns the module the call graph corresponds to.
+  Module &getModule() const { return *M; }
+
+  inline       iterator begin()       { return FunctionMap.begin(); }
+  inline       iterator end()         { return FunctionMap.end();   }
+  inline const_iterator begin() const { return FunctionMap.begin(); }
+  inline const_iterator end()   const { return FunctionMap.end();   }
+
+  /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
+  inline const CallGraphNode *operator[](const Function *F) const {
+    const_iterator I = FunctionMap.find(F);
+    assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
+    return I->second;
+  }
 
-  // CallGraphNode ctor - Create a node for the specified method...
-  inline CallGraphNode(Method *M) : Meth(M) {}
-  
-  // addCalledMethod add a method to the list of methods called by this one
-  void addCalledMethod(CallGraphNode *M) {
-    CalledMethods.push_back(M);
+  /// \brief Returns the call graph node for the provided function.
+  inline CallGraphNode *operator[](const Function *F) {
+    const_iterator I = FunctionMap.find(F);
+    assert(I != FunctionMap.end() && "Function not in callgraph!");
+    return I->second;
   }
+
+  /// \brief Returns the \c CallGraphNode which is used to represent
+  /// undetermined calls into the callgraph.
+  CallGraphNode *getExternalCallingNode() const { return ExternalCallingNode; }
+
+  CallGraphNode *getCallsExternalNode() const { return CallsExternalNode; }
+
+  /// \brief Returns the root/main method in the module, or some other root
+  /// node, such as the externalcallingnode.
+  CallGraphNode *getRoot() { return Root; }
+  const CallGraphNode *getRoot() const { return Root; }
+
+  //===---------------------------------------------------------------------
+  // Functions to keep a call graph up to date with a function that has been
+  // modified.
+  //
+
+  /// \brief Unlink the function from this module, returning it.
+  ///
+  /// Because this removes the function from the module, the call graph node is
+  /// destroyed.  This is only valid if the function does not call any other
+  /// functions (ie, there are no edges in it's CGN).  The easiest way to do
+  /// this is to dropAllReferences before calling this.
+  Function *removeFunctionFromModule(CallGraphNode *CGN);
+
+  /// \brief Similar to operator[], but this will insert a new CallGraphNode for
+  /// \c F if one does not already exist.
+  CallGraphNode *getOrInsertFunction(const Function *F);
+
+  CallGraph();
+  virtual ~CallGraph() { releaseMemory(); }
+
+  //===---------------------------------------------------------------------
+  // Implementation of the ModulePass interface needed here.
+  //
+
+  virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
+  virtual bool runOnModule(Module &M);
+  virtual void releaseMemory();
+
+  void print(raw_ostream &o, const Module *) const;
+  void dump() const;
 };
 
+/// \brief A node in the call graph for a module.
+///
+/// Typically represents a function in the call graph. There are also special
+/// "null" nodes used to represent theoretical entries in the call graph.
+class CallGraphNode {
+  friend class CallGraph;
+
+  AssertingVH<Function> F;
 
-class CallGraph {
-  Module *Mod;
-  typedef map<const Method *, CallGraphNode *> MethodMapTy;
-  MethodMapTy MethodMap;
 public:
-  CallGraph(Module *TheModule);
+  /// \brief A pair of the calling instruction (a call or invoke)
+  /// and the call graph node being called.
+  typedef std::pair<WeakVH, CallGraphNode*> CallRecord;
 
-  typedef MethodMapTy::iterator iterator;
-  typedef MethodMapTy::const_iterator const_iterator;
+private:
+  std::vector<CallRecord> CalledFunctions;
 
-  inline const_iterator begin() const { return MethodMap.begin(); }
-  inline const_iterator end()   const { return MethodMap.end();   }
+  /// \brief The number of times that this CallGraphNode occurs in the
+  /// CalledFunctions array of this or other CallGraphNodes.
+  unsigned NumReferences;
 
-  inline const CallGraphNode *operator[](const Method *M) const {
-    const_iterator I = MethodMap.find(M);
-    assert(I != MethodMap.end() && "Method not in callgraph!");
-    return I->second;
+  CallGraphNode(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
+  void operator=(const CallGraphNode &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
+
+  void DropRef() { --NumReferences; }
+  void AddRef() { ++NumReferences; }
+
+public:
+  typedef std::vector<CallRecord> CalledFunctionsVector;
+
+  /// \brief Creates a node for the specified function.
+  inline CallGraphNode(Function *F) : F(F), NumReferences(0) {}
+
+  ~CallGraphNode() {
+    assert(NumReferences == 0 && "Node deleted while references remain");
+  }
+
+  typedef std::vector<CallRecord>::iterator iterator;
+  typedef std::vector<CallRecord>::const_iterator const_iterator;
+
+  /// \brief Returns the function that this call graph node represents.
+  Function *getFunction() const { return F; }
+
+  inline iterator begin() { return CalledFunctions.begin(); }
+  inline iterator end()   { return CalledFunctions.end();   }
+  inline const_iterator begin() const { return CalledFunctions.begin(); }
+  inline const_iterator end()   const { return CalledFunctions.end();   }
+  inline bool empty() const { return CalledFunctions.empty(); }
+  inline unsigned size() const { return (unsigned)CalledFunctions.size(); }
+
+  /// \brief Returns the number of other CallGraphNodes in this CallGraph that
+  /// reference this node in their callee list.
+  unsigned getNumReferences() const { return NumReferences; }
+
+  /// \brief Returns the i'th called function.
+  CallGraphNode *operator[](unsigned i) const {
+    assert(i < CalledFunctions.size() && "Invalid index");
+    return CalledFunctions[i].second;
   }
 
-private:   // Implementation of CallGraph construction
+  /// \brief Print out this call graph node.
+  void dump() const;
+  void print(raw_ostream &OS) const;
 
-  // getNodeFor - Return the node for the specified method or create one if it
-  // does not already exist.
+  //===---------------------------------------------------------------------
+  // Methods to keep a call graph up to date with a function that has been
+  // modified
   //
-  CallGraphNode *getNodeFor(Method *M);
 
-  // addToCallGraph - Add a method to the call graph, and link the node to all
-  // of the methods that it calls.
+  /// \brief Removes all edges from this CallGraphNode to any functions it
+  /// calls.
+  void removeAllCalledFunctions() {
+    while (!CalledFunctions.empty()) {
+      CalledFunctions.back().second->DropRef();
+      CalledFunctions.pop_back();
+    }
+  }
+
+  /// \brief Moves all the callee information from N to this node.
+  void stealCalledFunctionsFrom(CallGraphNode *N) {
+    assert(CalledFunctions.empty() &&
+           "Cannot steal callsite information if I already have some");
+    std::swap(CalledFunctions, N->CalledFunctions);
+  }
+
+  /// \brief Adds a function to the list of functions called by this one.
+  void addCalledFunction(CallSite CS, CallGraphNode *M) {
+    assert(!CS.getInstruction() ||
+           !CS.getCalledFunction() ||
+           !CS.getCalledFunction()->isIntrinsic());
+    CalledFunctions.push_back(std::make_pair(CS.getInstruction(), M));
+    M->AddRef();
+  }
+
+  void removeCallEdge(iterator I) {
+    I->second->DropRef();
+    *I = CalledFunctions.back();
+    CalledFunctions.pop_back();
+  }
+
+  /// \brief Removes the edge in the node for the specified call site.
+  ///
+  /// Note that this method takes linear time, so it should be used sparingly.
+  void removeCallEdgeFor(CallSite CS);
+
+  /// \brief Removes all call edges from this node to the specified callee
+  /// function.
+  ///
+  /// This takes more time to execute than removeCallEdgeTo, so it should not
+  /// be used unless necessary.
+  void removeAnyCallEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
+
+  /// \brief Removes one edge associated with a null callsite from this node to
+  /// the specified callee function.
+  void removeOneAbstractEdgeTo(CallGraphNode *Callee);
+
+  /// \brief Replaces the edge in the node for the specified call site with a
+  /// new one.
+  ///
+  /// Note that this method takes linear time, so it should be used sparingly.
+  void replaceCallEdge(CallSite CS, CallSite NewCS, CallGraphNode *NewNode);
+
+  /// \brief A special function that should only be used by the CallGraph class.
   //
-  void addToCallGraph(Method *M);
+  // FIXME: Make this private?
+  void allReferencesDropped() {
+    NumReferences = 0;
+  }
+};
+
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+// GraphTraits specializations for call graphs so that they can be treated as
+// graphs by the generic graph algorithms.
+//
+
+// Provide graph traits for tranversing call graphs using standard graph
+// traversals.
+template <> struct GraphTraits<CallGraphNode*> {
+  typedef CallGraphNode NodeType;
+
+  typedef CallGraphNode::CallRecord CGNPairTy;
+  typedef std::pointer_to_unary_function<CGNPairTy, CallGraphNode*> CGNDerefFun;
+
+  static NodeType *getEntryNode(CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
+
+  typedef mapped_iterator<NodeType::iterator, CGNDerefFun> ChildIteratorType;
+
+  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
+    return map_iterator(N->begin(), CGNDerefFun(CGNDeref));
+  }
+  static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) {
+    return map_iterator(N->end(), CGNDerefFun(CGNDeref));
+  }
+
+  static CallGraphNode *CGNDeref(CGNPairTy P) {
+    return P.second;
+  }
+
+};
+
+template <> struct GraphTraits<const CallGraphNode*> {
+  typedef const CallGraphNode NodeType;
+  typedef NodeType::const_iterator ChildIteratorType;
+
+  static NodeType *getEntryNode(const CallGraphNode *CGN) { return CGN; }
+  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { return N->begin();}
+  static inline ChildIteratorType child_end  (NodeType *N) { return N->end(); }
+};
+
+template<> struct GraphTraits<CallGraph*> : public GraphTraits<CallGraphNode*> {
+  static NodeType *getEntryNode(CallGraph *CGN) {
+    return CGN->getExternalCallingNode();  // Start at the external node!
+  }
+  typedef std::pair<const Function*, CallGraphNode*> PairTy;
+  typedef std::pointer_to_unary_function<PairTy, CallGraphNode&> DerefFun;
+
+  // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
+  typedef mapped_iterator<CallGraph::iterator, DerefFun> nodes_iterator;
+  static nodes_iterator nodes_begin(CallGraph *CG) {
+    return map_iterator(CG->begin(), DerefFun(CGdereference));
+  }
+  static nodes_iterator nodes_end  (CallGraph *CG) {
+    return map_iterator(CG->end(), DerefFun(CGdereference));
+  }
+
+  static CallGraphNode &CGdereference(PairTy P) {
+    return *P.second;
+  }
+};
+
+template<> struct GraphTraits<const CallGraph*> :
+  public GraphTraits<const CallGraphNode*> {
+  static NodeType *getEntryNode(const CallGraph *CGN) {
+    return CGN->getExternalCallingNode();
+  }
+  // nodes_iterator/begin/end - Allow iteration over all nodes in the graph
+  typedef CallGraph::const_iterator nodes_iterator;
+  static nodes_iterator nodes_begin(const CallGraph *CG) { return CG->begin(); }
+  static nodes_iterator nodes_end  (const CallGraph *CG) { return CG->end(); }
 };
 
+} // End llvm namespace
 
-}  // end namespace cfg
+// Make sure that any clients of this file link in CallGraph.cpp
+FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(CallGraph)
 
 #endif