OSDN Git Service

DAG: Correct pointer type used for stack slot
[android-x86/external-llvm.git] / docs / WritingAnLLVMPass.rst
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
4
5 .. contents::
6     :local:
7
8 Introduction --- What is a pass?
9 ================================
10
11 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
12 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
13 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
14 build the analysis results that are used by these transformations, and they
15 are, above all, a structuring technique for compiler code.
16
17 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
18 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
19 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
20 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
21 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
22 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
23 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
24 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
25 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>`, or :ref:`BasicBlockPass
26 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>` classes, which gives the system more
27 information about what your pass does, and how it can be combined with other
28 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
29 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
30 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
31
32 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
33 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
34 advanced features are discussed.
35
36 Quick Start --- Writing hello world
37 ===================================
38
39 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
40 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
41 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
42 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
43 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
44
45 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
46
47 Setting up the build environment
48 --------------------------------
49
50 First, configure and build LLVM.  Next, you need to create a new directory
51 somewhere in the LLVM source base.  For this example, we'll assume that you
52 made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up a build script
53 that will compile the source code for the new pass.  To do this,
54 copy the following into ``CMakeLists.txt``:
55
56 .. code-block:: cmake
57
58   add_llvm_loadable_module( LLVMHello
59     Hello.cpp
60   
61     PLUGIN_TOOL
62     opt
63     )
64
65 and the following line into ``lib/Transforms/CMakeLists.txt``:
66
67 .. code-block:: cmake
68
69   add_subdirectory(Hello)
70
71 (Note that there is already a directory named ``Hello`` with a sample "Hello"
72 pass; you may play with it -- in which case you don't need to modify any
73 ``CMakeLists.txt`` files -- or, if you want to create everything from scratch,
74 use another name.)
75
76 This build script specifies that ``Hello.cpp`` file in the current directory
77 is to be compiled and linked into a shared object ``$(LEVEL)/lib/LLVMHello.so`` that
78 can be dynamically loaded by the :program:`opt` tool via its :option:`-load`
79 option. If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as
80 Windows or Mac OS X), the appropriate extension will be used.
81
82 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
83 the pass itself.
84
85 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
86
87 Basic code required
88 -------------------
89
90 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
91 Start out with:
92
93 .. code-block:: c++
94
95   #include "llvm/Pass.h"
96   #include "llvm/IR/Function.h"
97   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
98
99 Which are needed because we are writing a `Pass
100 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
101 `Function <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
102 be doing some printing.
103
104 Next we have:
105
106 .. code-block:: c++
107
108   using namespace llvm;
109
110 ... which is required because the functions from the include files live in the
111 llvm namespace.
112
113 Next we have:
114
115 .. code-block:: c++
116
117   namespace {
118
119 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
120 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
121 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
122 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
123 information.
124
125 Next, we declare our pass itself:
126
127 .. code-block:: c++
128
129   struct Hello : public FunctionPass {
130
131 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of :ref:`FunctionPass
132 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
133 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
134 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
135
136 .. code-block:: c++
137
138     static char ID;
139     Hello() : FunctionPass(ID) {}
140
141 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
142 to avoid using expensive C++ runtime information.
143
144 .. code-block:: c++
145
146     bool runOnFunction(Function &F) override {
147       errs() << "Hello: ";
148       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
149       return false;
150     }
151   }; // end of struct Hello
152   }  // end of anonymous namespace
153
154 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
155 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
156 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
157 thing, so we just print out our message with the name of each function.
158
159 .. code-block:: c++
160
161   char Hello::ID = 0;
162
163 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
164 initialization value is not important.
165
166 .. code-block:: c++
167
168   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
169                                false /* Only looks at CFG */,
170                                false /* Analysis Pass */);
171
172 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
173 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
174 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
175 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
176 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
177 the fourth argument.
178
179 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
180
181 .. code-block:: c++
182
183   #include "llvm/Pass.h"
184   #include "llvm/IR/Function.h"
185   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
186   
187   using namespace llvm;
188   
189   namespace {
190   struct Hello : public FunctionPass {
191     static char ID;
192     Hello() : FunctionPass(ID) {}
193   
194     bool runOnFunction(Function &F) override {
195       errs() << "Hello: ";
196       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
197       return false;
198     }
199   }; // end of struct Hello
200   }  // end of anonymous namespace
201   
202   char Hello::ID = 0;
203   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
204                                false /* Only looks at CFG */,
205                                false /* Analysis Pass */);
206
207 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
208 from the top level of your build directory and you should get a new file
209 "``lib/LLVMHello.so``".  Note that everything in this file is
210 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
211 are self contained units that do not need external interfaces (although they
212 can have them) to be useful.
213
214 Running a pass with ``opt``
215 ---------------------------
216
217 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
218 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
219 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
220 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
221
222 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
223 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
224 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
225 will work):
226
227 .. code-block:: console
228
229   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello < hello.bc > /dev/null
230   Hello: __main
231   Hello: puts
232   Hello: main
233
234 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
235 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
236 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
237 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
238 the program in any interesting way, we just throw away the result of
239 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
240
241 To see what happened to the other string you registered, try running
242 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
243
244 .. code-block:: console
245
246   $ opt -load lib/LLVMHello.so -help
247   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer and analysis printer
248
249   USAGE: opt [subcommand] [options] <input bitcode file>
250
251   OPTIONS:
252     Optimizations available:
253   ...
254       -guard-widening           - Widen guards
255       -gvn                      - Global Value Numbering
256       -gvn-hoist                - Early GVN Hoisting of Expressions
257       -hello                    - Hello World Pass
258       -indvars                  - Induction Variable Simplification
259       -inferattrs               - Infer set function attributes
260   ...
261
262 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
263 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
264 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
265 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
266 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
267 nice command line option (:option:`--time-passes`) that allows you to get
268 information about the execution time of your pass along with the other passes
269 you queue up.  For example:
270
271 .. code-block:: console
272
273   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
274   Hello: __main
275   Hello: puts
276   Hello: main
277   ===-------------------------------------------------------------------------===
278                         ... Pass execution timing report ...
279   ===-------------------------------------------------------------------------===
280     Total Execution Time: 0.0007 seconds (0.0005 wall clock)
281   
282      ---User Time---   --User+System--   ---Wall Time---  --- Name ---
283      0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 75.7%)  Bitcode Writer
284      0.0003 ( 44.7%)   0.0003 ( 44.7%)   0.0001 ( 13.6%)  Hello World Pass
285      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0001 ( 10.7%)  Module Verifier
286      0.0007 (100.0%)   0.0007 (100.0%)   0.0005 (100.0%)  Total
287
288 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
289 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
290 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
291 hasn't been broken somehow.
292
293 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
294 about some more details of how they work and how to use them.
295
296 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
297
298 Pass classes and requirements
299 =============================
300
301 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
302 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
303 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
304 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
305 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
306 available, from the most general to the most specific.
307
308 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
309 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
310 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
311 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
312 slow.
313
314 The ``ImmutablePass`` class
315 ---------------------------
316
317 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
318 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
319 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
320 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
321 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
322
323 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
324 providing information about the current target machine being compiled for, and
325 other static information that can affect the various transformations.
326
327 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
328 invalidated, and are never "run".
329
330 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
331
332 The ``ModulePass`` class
333 ------------------------
334
335 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
336 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
337 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
338 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
339 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
340 subclasses, no optimization can be done for their execution.
341
342 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
343 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
344 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
345 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
346 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
347 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
348 declarations.
349
350 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
351 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
352
353 The ``runOnModule`` method
354 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
355
356 .. code-block:: c++
357
358   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
359
360 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
361 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
362 ``false`` otherwise.
363
364 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
365
366 The ``CallGraphSCCPass`` class
367 ------------------------------
368
369 The `CallGraphSCCPass
370 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
371 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
372 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
373 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
374 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
375 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
376 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
377 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
378 ``CallGraphSCCPass``.
379
380 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
381
382 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
383
384 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
385    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
386 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
387    reflect any changes made to the program.
388 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
389    they may change the contents of an SCC.
390 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
391 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
392    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
393
394 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
395 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
396 described below should return ``true`` if they modified the program, or
397 ``false`` if they didn't.
398
399 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
400 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
401
402 .. code-block:: c++
403
404   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
405
406 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
407 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
408 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
409 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
410 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
411 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
412
413 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
414
415 The ``runOnSCC`` method
416 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
417
418 .. code-block:: c++
419
420   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
421
422 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
423 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
424 otherwise.
425
426 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
427 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
428
429 .. code-block:: c++
430
431   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
432
433 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
434 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnSCC
435 <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` for every SCC in the program being compiled.
436
437 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
438
439 The ``FunctionPass`` class
440 --------------------------
441
442 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
443 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
444 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
445 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
446 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
447 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
448 external functions.
449
450 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
451
452 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
453 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
454 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
455 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnFunction
456    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
457
458 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
459 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
460 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
461 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
462 ``false`` if they didn't.
463
464 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
465
466 The ``doInitialization(Module &)`` method
467 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
468
469 .. code-block:: c++
470
471   virtual bool doInitialization(Module &M);
472
473 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
474 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
475 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
476 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
477 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
478 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
479
480 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
481 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
482 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
483 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
484 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
485 needs, adding prototypes to the module if necessary.
486
487 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
488
489 The ``runOnFunction`` method
490 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
491
492 .. code-block:: c++
493
494   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
495
496 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
497 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
498 should be returned if the function is modified.
499
500 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
501
502 The ``doFinalization(Module &)`` method
503 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
504
505 .. code-block:: c++
506
507   virtual bool doFinalization(Module &M);
508
509 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
510 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
511 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
512 compiled.
513
514 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
515
516 The ``LoopPass`` class
517 ----------------------
518
519 All ``LoopPass`` execute on each loop in the function independent of all of the
520 other loops in the function.  ``LoopPass`` processes loops in loop nest order
521 such that outer most loop is processed last.
522
523 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
524 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
525 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
526 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
527 if they didn't.
528
529 A ``LoopPass`` subclass which is intended to run as part of the main loop pass
530 pipeline needs to preserve all of the same *function* analyses that the other
531 loop passes in its pipeline require. To make that easier,
532 a ``getLoopAnalysisUsage`` function is provided by ``LoopUtils.h``. It can be
533 called within the subclass's ``getAnalysisUsage`` override to get consistent
534 and correct behavior. Analogously, ``INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)``
535 will initialize this set of function analyses.
536
537 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
538 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
539
540 .. code-block:: c++
541
542   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
543
544 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
545 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
546 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
547 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
548 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
549
550 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
551
552 The ``runOnLoop`` method
553 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
554
555 .. code-block:: c++
556
557   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
558
559 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
560 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
561 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
562 should be used to update loop nest.
563
564 The ``doFinalization()`` method
565 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
566
567 .. code-block:: c++
568
569   virtual bool doFinalization();
570
571 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
572 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
573 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
574
575 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
576
577 The ``RegionPass`` class
578 ------------------------
579
580 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
581 but executes on each single entry single exit region in the function.
582 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
583 region is processed last.
584
585 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
586 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
587 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
588 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
589
590 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
591 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
592
593 .. code-block:: c++
594
595   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
596
597 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
598 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
599 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
600 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
601 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
602
603 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
604
605 The ``runOnRegion`` method
606 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
607
608 .. code-block:: c++
609
610   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
611
612 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
613 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
614 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
615 update region tree.
616
617 The ``doFinalization()`` method
618 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
619
620 .. code-block:: c++
621
622   virtual bool doFinalization();
623
624 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
625 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
626 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
627 compiled.
628
629 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
630
631 The ``BasicBlockPass`` class
632 ----------------------------
633
634 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
635 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
636 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
637 they are **not** allowed to do any of the following:
638
639 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
640 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
641    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
642 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
643 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
644    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
645
646 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
647 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
648 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
649 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
650 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
651 methods that may also be implemented:
652
653 The ``doInitialization(Function &)`` method
654 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
655
656 .. code-block:: c++
657
658   virtual bool doInitialization(Function &F);
659
660 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
661 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
662 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
663 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
664 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
665 pass executions (thus it should be very fast).
666
667 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
668
669 The ``runOnBasicBlock`` method
670 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
671
672 .. code-block:: c++
673
674   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
675
676 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
677 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
678 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
679 basic block is modified.
680
681 The ``doFinalization(Function &)`` method
682 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
683
684 .. code-block:: c++
685
686     virtual bool doFinalization(Function &F);
687
688 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
689 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
690 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
691 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
692
693 The ``MachineFunctionPass`` class
694 ---------------------------------
695
696 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
697 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
698
699 Code generator passes are registered and initialized specially by
700 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
701 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
702
703 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
704 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
705 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
706 are not allowed to do any of the following:
707
708 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
709    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
710    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
711 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
712 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
713    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
714
715 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
716
717 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
718 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
719
720 .. code-block:: c++
721
722   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
723
724 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
725 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
726 work of your ``MachineFunctionPass``.
727
728 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
729 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
730 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
731 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
732 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
733 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
734 ``MachineFunctionPass``.
735
736 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
737
738 Pass registration
739 -----------------
740
741 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
742 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
743 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
744 registered.
745
746 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
747 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
748 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
749 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
750 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
751 as for debug output generated by the `--debug-pass` option.
752
753 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
754 print method:
755
756 The ``print`` method
757 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
758
759 .. code-block:: c++
760
761   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
762
763 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
764 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
765 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
766 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
767
768 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
769 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
770 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
771 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
772 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
773 depended on.
774
775 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
776
777 Specifying interactions between passes
778 --------------------------------------
779
780 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
781 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
782 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
783 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
784 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
785 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
786 which are invalidated by the current pass.
787
788 Typically this functionality is used to require that analysis results are
789 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
790 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
791 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
792 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
793 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
794
795 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
796
797 The ``getAnalysisUsage`` method
798 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
799
800 .. code-block:: c++
801
802   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
803
804 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
805 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
806 in the `AnalysisUsage
807 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
808 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
809 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
810
811 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
812 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
813
814 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
815 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
816 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
817 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
818 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
819 edges in the CFG when your pass has been run.
820
821 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
822 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
823 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
824 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
825 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
826 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
827
828 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
829 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
830
831 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
832 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
833 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
834 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
835 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
836 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
837 to invalidate all others.
838
839 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
840 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
841 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
842 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
843 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
844 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
845 instructions (note that this property is implicitly set for
846 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
847
848 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
849 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
850 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
851 fact that it hacks on the CFG.
852
853 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
854 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
855
856 .. code-block:: c++
857
858   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
859   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
860     AU.setPreservesCFG();
861     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
862   }
863
864 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
865
866 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
867 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
868
869 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
870 providing you with access to the passes that you declared that you required
871 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
872 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
873 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
874
875 .. code-block:: c++
876
877   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
878     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
879     //...
880   }
881
882 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
883 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
884 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
885 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
886 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
887 invoked by your ``run*`` method.
888
889 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
890 For example:
891
892 .. code-block:: c++
893
894   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
895     //...
896     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
897     //...
898   }
899
900 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
901 manager before returning a reference to the desired pass.
902
903 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
904 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
905 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
906 it is active.  For example:
907
908 .. code-block:: c++
909
910   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
911     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
912   }
913
914 Implementing Analysis Groups
915 ----------------------------
916
917 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
918 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
919 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
920 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
921 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
922 required.
923
924 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
925 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
926 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
927 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
928 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
929 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
930 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
931 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
932 Analysis Groups.
933
934 Analysis Group Concepts
935 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
936
937 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
938 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
939 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
940 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
941 the "default" implementation.
942
943 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
944 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
945 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
946 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
947 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
948 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
949 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
950 apply.
951
952 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
953 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
954 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
955 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
956 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
957 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
958 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
959
960 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
961 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
962 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
963 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
964 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
965 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
966 Passes that use the `AliasAnalysis
967 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
968 example the `gvn <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GVN.html>`_ pass), do not
969 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
970 the designated interface.
971
972 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
973 command ``opt -gvn ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
974 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gvn
975 ...`` will cause the ``gvn`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
976 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
977
978 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
979
980 Using ``RegisterAnalysisGroup``
981 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
982
983 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
984 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
985 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
986 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
987 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
988 itself, because it is "abstract":
989
990 .. code-block:: c++
991
992   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
993
994 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
995 implementations of the interface by using the following code:
996
997 .. code-block:: c++
998
999   namespace {
1000     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1001     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
1002         "A more complex alias analysis implementation",
1003         false,  // Is CFG Only?
1004         true,   // Is Analysis?
1005         false); // Is default Analysis Group implementation?
1006   }
1007
1008 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1009 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1010 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1011 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1012
1013 .. code-block:: c++
1014
1015   namespace {
1016     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1017     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1018         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1019         false, // Is CFG Only?
1020         true,  // Is Analysis?
1021         true); // Is default Analysis Group implementation?
1022   }
1023
1024 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1025 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1026 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1027 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1028 that the `BasicAliasAnalysis
1029 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1030 implementation for the interface.
1031
1032 Pass Statistics
1033 ===============
1034
1035 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h_source.html>`_ class is
1036 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1037 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1038 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1039 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1040
1041 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1042
1043 What PassManager does
1044 ---------------------
1045
1046 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h_source.html>`_ `class
1047 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1048 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1049 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1050 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1051
1052 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1053 series of passes:
1054
1055 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1056    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1057    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1058    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1059    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1060    results, allowing it to :ref:`free memory
1061    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1062    as soon as they are no longer needed.
1063
1064 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1065    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1066    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1067    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1068    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1069    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1070    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1071    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1072
1073    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1074    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1075    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1076    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1077    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1078    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1079    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1080
1081 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1082 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1083 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1084 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1085 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1086 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1087
1088 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1089 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1090 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1091 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1092 "``opt -help-hidden``").
1093
1094 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1095 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1096 passes.  Lets try it out with the gvn and licm passes:
1097
1098 .. code-block:: console
1099
1100   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1101   ModulePass Manager
1102     FunctionPass Manager
1103       Dominator Tree Construction
1104       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1105       Function Alias Analysis Results
1106       Memory Dependence Analysis
1107       Global Value Numbering
1108       Natural Loop Information
1109       Canonicalize natural loops
1110       Loop-Closed SSA Form Pass
1111       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1112       Function Alias Analysis Results
1113       Scalar Evolution Analysis
1114       Loop Pass Manager
1115         Loop Invariant Code Motion
1116       Module Verifier
1117     Bitcode Writer
1118
1119 This output shows us when passes are constructed.
1120 Here we see that GVN uses dominator tree information to do its job.  The LICM pass
1121 uses natural loop information, which uses dominator tree as well.
1122
1123 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1124 the :program:`opt` tool), which uses the dominator tree to check that the
1125 resultant LLVM code is well formed. Note that the dominator tree is computed
1126 once, and shared by three passes.
1127
1128 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1129 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1130
1131 .. code-block:: console
1132
1133   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1134   ModulePass Manager
1135     FunctionPass Manager
1136       Dominator Tree Construction
1137       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1138       Function Alias Analysis Results
1139       Memory Dependence Analysis
1140       Global Value Numbering
1141       Hello World Pass
1142       Dominator Tree Construction
1143       Natural Loop Information
1144       Canonicalize natural loops
1145       Loop-Closed SSA Form Pass
1146       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1147       Function Alias Analysis Results
1148       Scalar Evolution Analysis
1149       Loop Pass Manager
1150         Loop Invariant Code Motion
1151       Module Verifier
1152     Bitcode Writer
1153   Hello: __main
1154   Hello: puts
1155   Hello: main
1156
1157 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1158 has killed the Dominator Tree pass, even though it doesn't modify the code at
1159 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1160 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1161
1162 .. code-block:: c++
1163
1164   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1165   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1166     AU.setPreservesAll();
1167   }
1168
1169 Now when we run our pass, we get this output:
1170
1171 .. code-block:: console
1172
1173   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1174   Pass Arguments:  -gvn -hello -licm
1175   ModulePass Manager
1176     FunctionPass Manager
1177       Dominator Tree Construction
1178       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1179       Function Alias Analysis Results
1180       Memory Dependence Analysis
1181       Global Value Numbering
1182       Hello World Pass
1183       Natural Loop Information
1184       Canonicalize natural loops
1185       Loop-Closed SSA Form Pass
1186       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1187       Function Alias Analysis Results
1188       Scalar Evolution Analysis
1189       Loop Pass Manager
1190         Loop Invariant Code Motion
1191       Module Verifier
1192     Bitcode Writer
1193   Hello: __main
1194   Hello: puts
1195   Hello: main
1196
1197 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1198 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1199
1200 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1201
1202 The ``releaseMemory`` method
1203 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1204
1205 .. code-block:: c++
1206
1207   virtual void releaseMemory();
1208
1209 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1210 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1211 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1212 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1213 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1214
1215 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1216 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1217 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1218 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1219 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1220 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1221
1222 Registering dynamically loaded passes
1223 =====================================
1224
1225 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1226 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1227 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1228 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1229 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1230 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1231
1232 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1233 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1234
1235 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1236 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1237 communicates additions and deletions to the command line interface.
1238
1239 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1240 information provided about a particular pass.  This information includes the
1241 command line name, the command help string and the address of the function used
1242 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1243 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1244 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1245 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1246 load and unregister at unload.
1247
1248 Using existing registries
1249 -------------------------
1250
1251 There are predefined registries to track instruction scheduling
1252 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1253 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1254 pass.
1255
1256 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1257 ``.cpp`` file add the following include:
1258
1259 .. code-block:: c++
1260
1261   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1262
1263 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1264 form:
1265
1266 .. code-block:: c++
1267
1268   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1269     return new MyRegisterAllocator();
1270   }
1271
1272 Note that the signature of this function should match the type of
1273 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1274 declaration, in the form:
1275
1276 .. code-block:: c++
1277
1278   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1279                                      "my register allocator help string",
1280                                      createMyRegisterAllocator);
1281
1282 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1283 :option:`-help` query.
1284
1285 .. code-block:: console
1286
1287   $ llc -help
1288     ...
1289     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1290       =linearscan                -   linear scan register allocator
1291       =local                     -   local register allocator
1292       =simple                    -   simple register allocator
1293       =myregalloc                -   my register allocator help string
1294     ...
1295
1296 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1297 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1298 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1299 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1300 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1301
1302 To force the load/linking of your register allocator into the
1303 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1304 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1305 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1306
1307 Creating new registries
1308 -----------------------
1309
1310 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1311 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1312 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1313
1314 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1315 ``RegisterMyPasses`` then define:
1316
1317 .. code-block:: c++
1318
1319   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1320
1321 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1322
1323 .. code-block:: c++
1324
1325   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1326           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1327   MyPassOpt("mypass",
1328             cl::init(&createDefaultMyPass),
1329             cl::desc("my pass option help"));
1330
1331 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1332 default creator.
1333
1334 Using GDB with dynamically loaded passes
1335 ----------------------------------------
1336
1337 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1338 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1339 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1340 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1341 with GDB.
1342
1343 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1344 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1345 depends on that.
1346
1347 Setting a breakpoint in your pass
1348 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1349
1350 First thing you do is start gdb on the opt process:
1351
1352 .. code-block:: console
1353
1354   $ gdb opt
1355   GNU gdb 5.0
1356   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1357   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1358   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1359   Type "show copying" to see the conditions.
1360   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1361   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1362   (gdb)
1363
1364 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1365 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1366 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1367 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1368 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1369 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1370
1371 .. code-block:: console
1372
1373   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1374   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1375   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1376   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1377   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1378   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1379   (gdb)
1380
1381 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1382 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1383 do other standard debugging stuff.
1384
1385 Miscellaneous Problems
1386 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1387
1388 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1389 some with solutions, some without.
1390
1391 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1392   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1393   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1394   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1395   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1396
1397 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1398   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1399   Next thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1400   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1401   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1402   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1403   execution stops in ``PassManager::run``.
1404
1405 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1406 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1407 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1408
1409 Future extensions planned
1410 -------------------------
1411
1412 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1413 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1414 where we are going:
1415
1416 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1417
1418 Multithreaded LLVM
1419 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1420
1421 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1422 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1423 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1424 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1425 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1426 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1427 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1428
1429 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1430 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1431 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1432 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1433 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.
1434