OSDN Git Service

CODE_OWNERS: Take ownership of Loop Strenght Reduce.
[android-x86/external-llvm.git] / docs / AliasAnalysis.rst
1 ==================================
2 LLVM Alias Analysis Infrastructure
3 ==================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 Alias Analysis (aka Pointer Analysis) is a class of techniques which attempt to
12 determine whether or not two pointers ever can point to the same object in
13 memory.  There are many different algorithms for alias analysis and many
14 different ways of classifying them: flow-sensitive vs. flow-insensitive,
15 context-sensitive vs. context-insensitive, field-sensitive
16 vs. field-insensitive, unification-based vs. subset-based, etc.  Traditionally,
17 alias analyses respond to a query with a `Must, May, or No`_ alias response,
18 indicating that two pointers always point to the same object, might point to the
19 same object, or are known to never point to the same object.
20
21 The LLVM `AliasAnalysis
22 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`__ class is the
23 primary interface used by clients and implementations of alias analyses in the
24 LLVM system.  This class is the common interface between clients of alias
25 analysis information and the implementations providing it, and is designed to
26 support a wide range of implementations and clients (but currently all clients
27 are assumed to be flow-insensitive).  In addition to simple alias analysis
28 information, this class exposes Mod/Ref information from those implementations
29 which can provide it, allowing for powerful analyses and transformations to work
30 well together.
31
32 This document contains information necessary to successfully implement this
33 interface, use it, and to test both sides.  It also explains some of the finer
34 points about what exactly results mean.  
35
36 ``AliasAnalysis`` Class Overview
37 ================================
38
39 The `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`__
40 class defines the interface that the various alias analysis implementations
41 should support.  This class exports two important enums: ``AliasResult`` and
42 ``ModRefResult`` which represent the result of an alias query or a mod/ref
43 query, respectively.
44
45 The ``AliasAnalysis`` interface exposes information about memory, represented in
46 several different ways.  In particular, memory objects are represented as a
47 starting address and size, and function calls are represented as the actual
48 ``call`` or ``invoke`` instructions that performs the call.  The
49 ``AliasAnalysis`` interface also exposes some helper methods which allow you to
50 get mod/ref information for arbitrary instructions.
51
52 All ``AliasAnalysis`` interfaces require that in queries involving multiple
53 values, values which are not :ref:`constants <constants>` are all
54 defined within the same function.
55
56 Representation of Pointers
57 --------------------------
58
59 Most importantly, the ``AliasAnalysis`` class provides several methods which are
60 used to query whether or not two memory objects alias, whether function calls
61 can modify or read a memory object, etc.  For all of these queries, memory
62 objects are represented as a pair of their starting address (a symbolic LLVM
63 ``Value*``) and a static size.
64
65 Representing memory objects as a starting address and a size is critically
66 important for correct Alias Analyses.  For example, consider this (silly, but
67 possible) C code:
68
69 .. code-block:: c++
70
71   int i;
72   char C[2];
73   char A[10]; 
74   /* ... */
75   for (i = 0; i != 10; ++i) {
76     C[0] = A[i];          /* One byte store */
77     C[1] = A[9-i];        /* One byte store */
78   }
79
80 In this case, the ``basicaa`` pass will disambiguate the stores to ``C[0]`` and
81 ``C[1]`` because they are accesses to two distinct locations one byte apart, and
82 the accesses are each one byte.  In this case, the Loop Invariant Code Motion
83 (LICM) pass can use store motion to remove the stores from the loop.  In
84 constrast, the following code:
85
86 .. code-block:: c++
87
88   int i;
89   char C[2];
90   char A[10]; 
91   /* ... */
92   for (i = 0; i != 10; ++i) {
93     ((short*)C)[0] = A[i];  /* Two byte store! */
94     C[1] = A[9-i];          /* One byte store */
95   }
96
97 In this case, the two stores to C do alias each other, because the access to the
98 ``&C[0]`` element is a two byte access.  If size information wasn't available in
99 the query, even the first case would have to conservatively assume that the
100 accesses alias.
101
102 .. _alias:
103
104 The ``alias`` method
105 --------------------
106   
107 The ``alias`` method is the primary interface used to determine whether or not
108 two memory objects alias each other.  It takes two memory objects as input and
109 returns MustAlias, PartialAlias, MayAlias, or NoAlias as appropriate.
110
111 Like all ``AliasAnalysis`` interfaces, the ``alias`` method requires that either
112 the two pointer values be defined within the same function, or at least one of
113 the values is a :ref:`constant <constants>`.
114
115 .. _Must, May, or No:
116
117 Must, May, and No Alias Responses
118 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
119
120 The ``NoAlias`` response may be used when there is never an immediate dependence
121 between any memory reference *based* on one pointer and any memory reference
122 *based* the other. The most obvious example is when the two pointers point to
123 non-overlapping memory ranges. Another is when the two pointers are only ever
124 used for reading memory. Another is when the memory is freed and reallocated
125 between accesses through one pointer and accesses through the other --- in this
126 case, there is a dependence, but it's mediated by the free and reallocation.
127
128 As an exception to this is with the :ref:`noalias <noalias>` keyword;
129 the "irrelevant" dependencies are ignored.
130
131 The ``MayAlias`` response is used whenever the two pointers might refer to the
132 same object.
133
134 The ``PartialAlias`` response is used when the two memory objects are known to
135 be overlapping in some way, but do not start at the same address.
136
137 The ``MustAlias`` response may only be returned if the two memory objects are
138 guaranteed to always start at exactly the same location. A ``MustAlias``
139 response implies that the pointers compare equal.
140
141 The ``getModRefInfo`` methods
142 -----------------------------
143
144 The ``getModRefInfo`` methods return information about whether the execution of
145 an instruction can read or modify a memory location.  Mod/Ref information is
146 always conservative: if an instruction **might** read or write a location,
147 ``ModRef`` is returned.
148
149 The ``AliasAnalysis`` class also provides a ``getModRefInfo`` method for testing
150 dependencies between function calls.  This method takes two call sites (``CS1``
151 & ``CS2``), returns ``NoModRef`` if neither call writes to memory read or
152 written by the other, ``Ref`` if ``CS1`` reads memory written by ``CS2``,
153 ``Mod`` if ``CS1`` writes to memory read or written by ``CS2``, or ``ModRef`` if
154 ``CS1`` might read or write memory written to by ``CS2``.  Note that this
155 relation is not commutative.
156
157 Other useful ``AliasAnalysis`` methods
158 --------------------------------------
159
160 Several other tidbits of information are often collected by various alias
161 analysis implementations and can be put to good use by various clients.
162
163 The ``pointsToConstantMemory`` method
164 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
165
166 The ``pointsToConstantMemory`` method returns true if and only if the analysis
167 can prove that the pointer only points to unchanging memory locations
168 (functions, constant global variables, and the null pointer).  This information
169 can be used to refine mod/ref information: it is impossible for an unchanging
170 memory location to be modified.
171
172 .. _never access memory or only read memory:
173
174 The ``doesNotAccessMemory`` and  ``onlyReadsMemory`` methods
175 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
176
177 These methods are used to provide very simple mod/ref information for function
178 calls.  The ``doesNotAccessMemory`` method returns true for a function if the
179 analysis can prove that the function never reads or writes to memory, or if the
180 function only reads from constant memory.  Functions with this property are
181 side-effect free and only depend on their input arguments, allowing them to be
182 eliminated if they form common subexpressions or be hoisted out of loops.  Many
183 common functions behave this way (e.g., ``sin`` and ``cos``) but many others do
184 not (e.g., ``acos``, which modifies the ``errno`` variable).
185
186 The ``onlyReadsMemory`` method returns true for a function if analysis can prove
187 that (at most) the function only reads from non-volatile memory.  Functions with
188 this property are side-effect free, only depending on their input arguments and
189 the state of memory when they are called.  This property allows calls to these
190 functions to be eliminated and moved around, as long as there is no store
191 instruction that changes the contents of memory.  Note that all functions that
192 satisfy the ``doesNotAccessMemory`` method also satisfy ``onlyReadsMemory``.
193
194 Writing a new ``AliasAnalysis`` Implementation
195 ==============================================
196
197 Writing a new alias analysis implementation for LLVM is quite straight-forward.
198 There are already several implementations that you can use for examples, and the
199 following information should help fill in any details.  For a examples, take a
200 look at the `various alias analysis implementations`_ included with LLVM.
201
202 Different Pass styles
203 ---------------------
204
205 The first step to determining what type of :doc:`LLVM pass <WritingAnLLVMPass>`
206 you need to use for your Alias Analysis.  As is the case with most other
207 analyses and transformations, the answer should be fairly obvious from what type
208 of problem you are trying to solve:
209
210 #. If you require interprocedural analysis, it should be a ``Pass``.
211 #. If you are a function-local analysis, subclass ``FunctionPass``.
212 #. If you don't need to look at the program at all, subclass ``ImmutablePass``.
213
214 In addition to the pass that you subclass, you should also inherit from the
215 ``AliasAnalysis`` interface, of course, and use the ``RegisterAnalysisGroup``
216 template to register as an implementation of ``AliasAnalysis``.
217
218 Required initialization calls
219 -----------------------------
220
221 Your subclass of ``AliasAnalysis`` is required to invoke two methods on the
222 ``AliasAnalysis`` base class: ``getAnalysisUsage`` and
223 ``InitializeAliasAnalysis``.  In particular, your implementation of
224 ``getAnalysisUsage`` should explicitly call into the
225 ``AliasAnalysis::getAnalysisUsage`` method in addition to doing any declaring
226 any pass dependencies your pass has.  Thus you should have something like this:
227
228 .. code-block:: c++
229
230   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
231     AliasAnalysis::getAnalysisUsage(AU);
232     // declare your dependencies here.
233   }
234
235 Additionally, your must invoke the ``InitializeAliasAnalysis`` method from your
236 analysis run method (``run`` for a ``Pass``, ``runOnFunction`` for a
237 ``FunctionPass``, or ``InitializePass`` for an ``ImmutablePass``).  For example
238 (as part of a ``Pass``):
239
240 .. code-block:: c++
241
242   bool run(Module &M) {
243     InitializeAliasAnalysis(this);
244     // Perform analysis here...
245     return false;
246   }
247
248 Required methods to override
249 ----------------------------
250
251 You must override the ``getAdjustedAnalysisPointer`` method on all subclasses
252 of ``AliasAnalysis``. An example implementation of this method would look like:
253
254 .. code-block:: c++
255
256   void *getAdjustedAnalysisPointer(const void* ID) override {
257     if (ID == &AliasAnalysis::ID)
258       return (AliasAnalysis*)this;
259     return this;
260   }
261
262 Interfaces which may be specified
263 ---------------------------------
264
265 All of the `AliasAnalysis
266 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`__ virtual methods
267 default to providing :ref:`chaining <aliasanalysis-chaining>` to another alias
268 analysis implementation, which ends up returning conservatively correct
269 information (returning "May" Alias and "Mod/Ref" for alias and mod/ref queries
270 respectively).  Depending on the capabilities of the analysis you are
271 implementing, you just override the interfaces you can improve.
272
273 .. _aliasanalysis-chaining:
274
275 ``AliasAnalysis`` chaining behavior
276 -----------------------------------
277
278 With only one special exception (the :ref:`-no-aa <aliasanalysis-no-aa>` pass)
279 every alias analysis pass chains to another alias analysis implementation (for
280 example, the user can specify "``-basicaa -ds-aa -licm``" to get the maximum
281 benefit from both alias analyses).  The alias analysis class automatically
282 takes care of most of this for methods that you don't override.  For methods
283 that you do override, in code paths that return a conservative MayAlias or
284 Mod/Ref result, simply return whatever the superclass computes.  For example:
285
286 .. code-block:: c++
287
288   AliasResult alias(const Value *V1, unsigned V1Size,
289                     const Value *V2, unsigned V2Size) {
290     if (...)
291       return NoAlias;
292     ...
293
294     // Couldn't determine a must or no-alias result.
295     return AliasAnalysis::alias(V1, V1Size, V2, V2Size);
296   }
297
298 In addition to analysis queries, you must make sure to unconditionally pass LLVM
299 `update notification`_ methods to the superclass as well if you override them,
300 which allows all alias analyses in a change to be updated.
301
302 .. _update notification:
303
304 Updating analysis results for transformations
305 ---------------------------------------------
306
307 Alias analysis information is initially computed for a static snapshot of the
308 program, but clients will use this information to make transformations to the
309 code.  All but the most trivial forms of alias analysis will need to have their
310 analysis results updated to reflect the changes made by these transformations.
311
312 The ``AliasAnalysis`` interface exposes four methods which are used to
313 communicate program changes from the clients to the analysis implementations.
314 Various alias analysis implementations should use these methods to ensure that
315 their internal data structures are kept up-to-date as the program changes (for
316 example, when an instruction is deleted), and clients of alias analysis must be
317 sure to call these interfaces appropriately.
318
319 The ``deleteValue`` method
320 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
321
322 The ``deleteValue`` method is called by transformations when they remove an
323 instruction or any other value from the program (including values that do not
324 use pointers).  Typically alias analyses keep data structures that have entries
325 for each value in the program.  When this method is called, they should remove
326 any entries for the specified value, if they exist.
327
328 The ``copyValue`` method
329 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
330
331 The ``copyValue`` method is used when a new value is introduced into the
332 program.  There is no way to introduce a value into the program that did not
333 exist before (this doesn't make sense for a safe compiler transformation), so
334 this is the only way to introduce a new value.  This method indicates that the
335 new value has exactly the same properties as the value being copied.
336
337 The ``replaceWithNewValue`` method
338 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
339
340 This method is a simple helper method that is provided to make clients easier to
341 use.  It is implemented by copying the old analysis information to the new
342 value, then deleting the old value.  This method cannot be overridden by alias
343 analysis implementations.
344
345 The ``addEscapingUse`` method
346 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
347
348 The ``addEscapingUse`` method is used when the uses of a pointer value have
349 changed in ways that may invalidate precomputed analysis information.
350 Implementations may either use this callback to provide conservative responses
351 for points whose uses have change since analysis time, or may recompute some or
352 all of their internal state to continue providing accurate responses.
353
354 In general, any new use of a pointer value is considered an escaping use, and
355 must be reported through this callback, *except* for the uses below:
356
357 * A ``bitcast`` or ``getelementptr`` of the pointer
358 * A ``store`` through the pointer (but not a ``store`` *of* the pointer)
359 * A ``load`` through the pointer
360
361 Efficiency Issues
362 -----------------
363
364 From the LLVM perspective, the only thing you need to do to provide an efficient
365 alias analysis is to make sure that alias analysis **queries** are serviced
366 quickly.  The actual calculation of the alias analysis results (the "run"
367 method) is only performed once, but many (perhaps duplicate) queries may be
368 performed.  Because of this, try to move as much computation to the run method
369 as possible (within reason).
370
371 Limitations
372 -----------
373
374 The AliasAnalysis infrastructure has several limitations which make writing a
375 new ``AliasAnalysis`` implementation difficult.
376
377 There is no way to override the default alias analysis. It would be very useful
378 to be able to do something like "``opt -my-aa -O2``" and have it use ``-my-aa``
379 for all passes which need AliasAnalysis, but there is currently no support for
380 that, short of changing the source code and recompiling. Similarly, there is
381 also no way of setting a chain of analyses as the default.
382
383 There is no way for transform passes to declare that they preserve
384 ``AliasAnalysis`` implementations. The ``AliasAnalysis`` interface includes
385 ``deleteValue`` and ``copyValue`` methods which are intended to allow a pass to
386 keep an AliasAnalysis consistent, however there's no way for a pass to declare
387 in its ``getAnalysisUsage`` that it does so. Some passes attempt to use
388 ``AU.addPreserved<AliasAnalysis>``, however this doesn't actually have any
389 effect.
390
391 ``AliasAnalysisCounter`` (``-count-aa``) are implemented as ``ModulePass``
392 classes, so if your alias analysis uses ``FunctionPass``, it won't be able to
393 use these utilities. If you try to use them, the pass manager will silently
394 route alias analysis queries directly to ``BasicAliasAnalysis`` instead.
395
396 Similarly, the ``opt -p`` option introduces ``ModulePass`` passes between each
397 pass, which prevents the use of ``FunctionPass`` alias analysis passes.
398
399 The ``AliasAnalysis`` API does have functions for notifying implementations when
400 values are deleted or copied, however these aren't sufficient. There are many
401 other ways that LLVM IR can be modified which could be relevant to
402 ``AliasAnalysis`` implementations which can not be expressed.
403
404 The ``AliasAnalysisDebugger`` utility seems to suggest that ``AliasAnalysis``
405 implementations can expect that they will be informed of any relevant ``Value``
406 before it appears in an alias query. However, popular clients such as ``GVN``
407 don't support this, and are known to trigger errors when run with the
408 ``AliasAnalysisDebugger``.
409
410 Due to several of the above limitations, the most obvious use for the
411 ``AliasAnalysisCounter`` utility, collecting stats on all alias queries in a
412 compilation, doesn't work, even if the ``AliasAnalysis`` implementations don't
413 use ``FunctionPass``.  There's no way to set a default, much less a default
414 sequence, and there's no way to preserve it.
415
416 The ``AliasSetTracker`` class (which is used by ``LICM``) makes a
417 non-deterministic number of alias queries. This can cause stats collected by
418 ``AliasAnalysisCounter`` to have fluctuations among identical runs, for
419 example. Another consequence is that debugging techniques involving pausing
420 execution after a predetermined number of queries can be unreliable.
421
422 Many alias queries can be reformulated in terms of other alias queries. When
423 multiple ``AliasAnalysis`` queries are chained together, it would make sense to
424 start those queries from the beginning of the chain, with care taken to avoid
425 infinite looping, however currently an implementation which wants to do this can
426 only start such queries from itself.
427
428 Using alias analysis results
429 ============================
430
431 There are several different ways to use alias analysis results.  In order of
432 preference, these are:
433
434 Using the ``MemoryDependenceAnalysis`` Pass
435 -------------------------------------------
436
437 The ``memdep`` pass uses alias analysis to provide high-level dependence
438 information about memory-using instructions.  This will tell you which store
439 feeds into a load, for example.  It uses caching and other techniques to be
440 efficient, and is used by Dead Store Elimination, GVN, and memcpy optimizations.
441
442 .. _AliasSetTracker:
443
444 Using the ``AliasSetTracker`` class
445 -----------------------------------
446
447 Many transformations need information about alias **sets** that are active in
448 some scope, rather than information about pairwise aliasing.  The
449 `AliasSetTracker <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasSetTracker.html>`__
450 class is used to efficiently build these Alias Sets from the pairwise alias
451 analysis information provided by the ``AliasAnalysis`` interface.
452
453 First you initialize the AliasSetTracker by using the "``add``" methods to add
454 information about various potentially aliasing instructions in the scope you are
455 interested in.  Once all of the alias sets are completed, your pass should
456 simply iterate through the constructed alias sets, using the ``AliasSetTracker``
457 ``begin()``/``end()`` methods.
458
459 The ``AliasSet``\s formed by the ``AliasSetTracker`` are guaranteed to be
460 disjoint, calculate mod/ref information and volatility for the set, and keep
461 track of whether or not all of the pointers in the set are Must aliases.  The
462 AliasSetTracker also makes sure that sets are properly folded due to call
463 instructions, and can provide a list of pointers in each set.
464
465 As an example user of this, the `Loop Invariant Code Motion
466 <doxygen/structLICM.html>`_ pass uses ``AliasSetTracker``\s to calculate alias
467 sets for each loop nest.  If an ``AliasSet`` in a loop is not modified, then all
468 load instructions from that set may be hoisted out of the loop.  If any alias
469 sets are stored to **and** are must alias sets, then the stores may be sunk
470 to outside of the loop, promoting the memory location to a register for the
471 duration of the loop nest.  Both of these transformations only apply if the
472 pointer argument is loop-invariant.
473
474 The AliasSetTracker implementation
475 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
476
477 The AliasSetTracker class is implemented to be as efficient as possible.  It
478 uses the union-find algorithm to efficiently merge AliasSets when a pointer is
479 inserted into the AliasSetTracker that aliases multiple sets.  The primary data
480 structure is a hash table mapping pointers to the AliasSet they are in.
481
482 The AliasSetTracker class must maintain a list of all of the LLVM ``Value*``\s
483 that are in each AliasSet.  Since the hash table already has entries for each
484 LLVM ``Value*`` of interest, the AliasesSets thread the linked list through
485 these hash-table nodes to avoid having to allocate memory unnecessarily, and to
486 make merging alias sets extremely efficient (the linked list merge is constant
487 time).
488
489 You shouldn't need to understand these details if you are just a client of the
490 AliasSetTracker, but if you look at the code, hopefully this brief description
491 will help make sense of why things are designed the way they are.
492
493 Using the ``AliasAnalysis`` interface directly
494 ----------------------------------------------
495
496 If neither of these utility class are what your pass needs, you should use the
497 interfaces exposed by the ``AliasAnalysis`` class directly.  Try to use the
498 higher-level methods when possible (e.g., use mod/ref information instead of the
499 `alias`_ method directly if possible) to get the best precision and efficiency.
500
501 Existing alias analysis implementations and clients
502 ===================================================
503
504 If you're going to be working with the LLVM alias analysis infrastructure, you
505 should know what clients and implementations of alias analysis are available.
506 In particular, if you are implementing an alias analysis, you should be aware of
507 the `the clients`_ that are useful for monitoring and evaluating different
508 implementations.
509
510 .. _various alias analysis implementations:
511
512 Available ``AliasAnalysis`` implementations
513 -------------------------------------------
514
515 This section lists the various implementations of the ``AliasAnalysis``
516 interface.  With the exception of the :ref:`-no-aa <aliasanalysis-no-aa>`
517 implementation, all of these :ref:`chain <aliasanalysis-chaining>` to other
518 alias analysis implementations.
519
520 .. _aliasanalysis-no-aa:
521
522 The ``-no-aa`` pass
523 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
524
525 The ``-no-aa`` pass is just like what it sounds: an alias analysis that never
526 returns any useful information.  This pass can be useful if you think that alias
527 analysis is doing something wrong and are trying to narrow down a problem.
528
529 The ``-basicaa`` pass
530 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
531
532 The ``-basicaa`` pass is an aggressive local analysis that *knows* many
533 important facts:
534
535 * Distinct globals, stack allocations, and heap allocations can never alias.
536 * Globals, stack allocations, and heap allocations never alias the null pointer.
537 * Different fields of a structure do not alias.
538 * Indexes into arrays with statically differing subscripts cannot alias.
539 * Many common standard C library functions `never access memory or only read
540   memory`_.
541 * Pointers that obviously point to constant globals "``pointToConstantMemory``".
542 * Function calls can not modify or references stack allocations if they never
543   escape from the function that allocates them (a common case for automatic
544   arrays).
545
546 The ``-globalsmodref-aa`` pass
547 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
548
549 This pass implements a simple context-sensitive mod/ref and alias analysis for
550 internal global variables that don't "have their address taken".  If a global
551 does not have its address taken, the pass knows that no pointers alias the
552 global.  This pass also keeps track of functions that it knows never access
553 memory or never read memory.  This allows certain optimizations (e.g. GVN) to
554 eliminate call instructions entirely.
555
556 The real power of this pass is that it provides context-sensitive mod/ref
557 information for call instructions.  This allows the optimizer to know that calls
558 to a function do not clobber or read the value of the global, allowing loads and
559 stores to be eliminated.
560
561 .. note::
562
563   This pass is somewhat limited in its scope (only support non-address taken
564   globals), but is very quick analysis.
565
566 The ``-steens-aa`` pass
567 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
568
569 The ``-steens-aa`` pass implements a variation on the well-known "Steensgaard's
570 algorithm" for interprocedural alias analysis.  Steensgaard's algorithm is a
571 unification-based, flow-insensitive, context-insensitive, and field-insensitive
572 alias analysis that is also very scalable (effectively linear time).
573
574 The LLVM ``-steens-aa`` pass implements a "speculatively field-**sensitive**"
575 version of Steensgaard's algorithm using the Data Structure Analysis framework.
576 This gives it substantially more precision than the standard algorithm while
577 maintaining excellent analysis scalability.
578
579 .. note::
580
581   ``-steens-aa`` is available in the optional "poolalloc" module. It is not part
582   of the LLVM core.
583
584 The ``-ds-aa`` pass
585 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
586
587 The ``-ds-aa`` pass implements the full Data Structure Analysis algorithm.  Data
588 Structure Analysis is a modular unification-based, flow-insensitive,
589 context-**sensitive**, and speculatively field-**sensitive** alias
590 analysis that is also quite scalable, usually at ``O(n * log(n))``.
591
592 This algorithm is capable of responding to a full variety of alias analysis
593 queries, and can provide context-sensitive mod/ref information as well.  The
594 only major facility not implemented so far is support for must-alias
595 information.
596
597 .. note::
598
599   ``-ds-aa`` is available in the optional "poolalloc" module. It is not part of
600   the LLVM core.
601
602 The ``-scev-aa`` pass
603 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
604
605 The ``-scev-aa`` pass implements AliasAnalysis queries by translating them into
606 ScalarEvolution queries. This gives it a more complete understanding of
607 ``getelementptr`` instructions and loop induction variables than other alias
608 analyses have.
609
610 Alias analysis driven transformations
611 -------------------------------------
612
613 LLVM includes several alias-analysis driven transformations which can be used
614 with any of the implementations above.
615
616 The ``-adce`` pass
617 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
618
619 The ``-adce`` pass, which implements Aggressive Dead Code Elimination uses the
620 ``AliasAnalysis`` interface to delete calls to functions that do not have
621 side-effects and are not used.
622
623 The ``-licm`` pass
624 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
625
626 The ``-licm`` pass implements various Loop Invariant Code Motion related
627 transformations.  It uses the ``AliasAnalysis`` interface for several different
628 transformations:
629
630 * It uses mod/ref information to hoist or sink load instructions out of loops if
631   there are no instructions in the loop that modifies the memory loaded.
632
633 * It uses mod/ref information to hoist function calls out of loops that do not
634   write to memory and are loop-invariant.
635
636 * It uses alias information to promote memory objects that are loaded and stored
637   to in loops to live in a register instead.  It can do this if there are no may
638   aliases to the loaded/stored memory location.
639
640 The ``-argpromotion`` pass
641 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
642
643 The ``-argpromotion`` pass promotes by-reference arguments to be passed in
644 by-value instead.  In particular, if pointer arguments are only loaded from it
645 passes in the value loaded instead of the address to the function.  This pass
646 uses alias information to make sure that the value loaded from the argument
647 pointer is not modified between the entry of the function and any load of the
648 pointer.
649
650 The ``-gvn``, ``-memcpyopt``, and ``-dse`` passes
651 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
652
653 These passes use AliasAnalysis information to reason about loads and stores.
654
655 .. _the clients:
656
657 Clients for debugging and evaluation of implementations
658 -------------------------------------------------------
659
660 These passes are useful for evaluating the various alias analysis
661 implementations.  You can use them with commands like:
662
663 .. code-block:: bash
664
665   % opt -ds-aa -aa-eval foo.bc -disable-output -stats
666
667 The ``-print-alias-sets`` pass
668 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
669
670 The ``-print-alias-sets`` pass is exposed as part of the ``opt`` tool to print
671 out the Alias Sets formed by the `AliasSetTracker`_ class.  This is useful if
672 you're using the ``AliasSetTracker`` class.  To use it, use something like:
673
674 .. code-block:: bash
675
676   % opt -ds-aa -print-alias-sets -disable-output
677
678 The ``-count-aa`` pass
679 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
680
681 The ``-count-aa`` pass is useful to see how many queries a particular pass is
682 making and what responses are returned by the alias analysis.  As an example:
683
684 .. code-block:: bash
685
686   % opt -basicaa -count-aa -ds-aa -count-aa -licm
687
688 will print out how many queries (and what responses are returned) by the
689 ``-licm`` pass (of the ``-ds-aa`` pass) and how many queries are made of the
690 ``-basicaa`` pass by the ``-ds-aa`` pass.  This can be useful when debugging a
691 transformation or an alias analysis implementation.
692
693 The ``-aa-eval`` pass
694 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
695
696 The ``-aa-eval`` pass simply iterates through all pairs of pointers in a
697 function and asks an alias analysis whether or not the pointers alias.  This
698 gives an indication of the precision of the alias analysis.  Statistics are
699 printed indicating the percent of no/may/must aliases found (a more precise
700 algorithm will have a lower number of may aliases).
701
702 Memory Dependence Analysis
703 ==========================
704
705 .. note::
706
707   We are currently in the process of migrating things from
708   ``MemoryDependenceAnalysis`` to :doc:`MemorySSA`. Please try to use
709   that instead.
710
711 If you're just looking to be a client of alias analysis information, consider
712 using the Memory Dependence Analysis interface instead.  MemDep is a lazy,
713 caching layer on top of alias analysis that is able to answer the question of
714 what preceding memory operations a given instruction depends on, either at an
715 intra- or inter-block level.  Because of its laziness and caching policy, using
716 MemDep can be a significant performance win over accessing alias analysis
717 directly.