PR libstdc++/83279 handle sendfile not copying entire file
[official-gcc.git] / gcc / doc / passes.texi
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1 @c markers: BUG TODO
3 @c Copyright (C) 1988-2017 Free Software Foundation, Inc.
4 @c This is part of the GCC manual.
5 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
7 @node Passes
8 @chapter Passes and Files of the Compiler
9 @cindex passes and files of the compiler
10 @cindex files and passes of the compiler
11 @cindex compiler passes and files
12 @cindex pass dumps
14 This chapter is dedicated to giving an overview of the optimization and
15 code generation passes of the compiler.  In the process, it describes
16 some of the language front end interface, though this description is no
17 where near complete.
19 @menu
20 * Parsing pass::         The language front end turns text into bits.
21 * Gimplification pass::  The bits are turned into something we can optimize.
22 * Pass manager::         Sequencing the optimization passes.
23 * Tree SSA passes::      Optimizations on a high-level representation.
24 * RTL passes::           Optimizations on a low-level representation.
25 * Optimization info::    Dumping optimization information from passes.
26 @end menu
28 @node Parsing pass
29 @section Parsing pass
30 @cindex GENERIC
31 @findex lang_hooks.parse_file
32 The language front end is invoked only once, via
33 @code{lang_hooks.parse_file}, to parse the entire input.  The language
34 front end may use any intermediate language representation deemed
35 appropriate.  The C front end uses GENERIC trees (@pxref{GENERIC}), plus
36 a double handful of language specific tree codes defined in
37 @file{c-common.def}.  The Fortran front end uses a completely different
38 private representation.
40 @cindex GIMPLE
41 @cindex gimplification
42 @cindex gimplifier
43 @cindex language-independent intermediate representation
44 @cindex intermediate representation lowering
45 @cindex lowering, language-dependent intermediate representation
46 At some point the front end must translate the representation used in the
47 front end to a representation understood by the language-independent
48 portions of the compiler.  Current practice takes one of two forms.
49 The C front end manually invokes the gimplifier (@pxref{GIMPLE}) on each function,
50 and uses the gimplifier callbacks to convert the language-specific tree
51 nodes directly to GIMPLE before passing the function off to be compiled.
52 The Fortran front end converts from a private representation to GENERIC,
53 which is later lowered to GIMPLE when the function is compiled.  Which
54 route to choose probably depends on how well GENERIC (plus extensions)
55 can be made to match up with the source language and necessary parsing
56 data structures.
58 BUG: Gimplification must occur before nested function lowering,
59 and nested function lowering must be done by the front end before
60 passing the data off to cgraph.
62 TODO: Cgraph should control nested function lowering.  It would
63 only be invoked when it is certain that the outer-most function
64 is used.
66 TODO: Cgraph needs a gimplify_function callback.  It should be
67 invoked when (1) it is certain that the function is used, (2)
68 warning flags specified by the user require some amount of
69 compilation in order to honor, (3) the language indicates that
70 semantic analysis is not complete until gimplification occurs.
71 Hum@dots{} this sounds overly complicated.  Perhaps we should just
72 have the front end gimplify always; in most cases it's only one
73 function call.
75 The front end needs to pass all function definitions and top level
76 declarations off to the middle-end so that they can be compiled and
77 emitted to the object file.  For a simple procedural language, it is
78 usually most convenient to do this as each top level declaration or
79 definition is seen.  There is also a distinction to be made between
80 generating functional code and generating complete debug information.
81 The only thing that is absolutely required for functional code is that
82 function and data @emph{definitions} be passed to the middle-end.  For
83 complete debug information, function, data and type declarations
84 should all be passed as well.
86 @findex rest_of_decl_compilation
87 @findex rest_of_type_compilation
88 @findex cgraph_finalize_function
89 In any case, the front end needs each complete top-level function or
90 data declaration, and each data definition should be passed to
91 @code{rest_of_decl_compilation}.  Each complete type definition should
92 be passed to @code{rest_of_type_compilation}.  Each function definition
93 should be passed to @code{cgraph_finalize_function}.
95 TODO: I know rest_of_compilation currently has all sorts of
96 RTL generation semantics.  I plan to move all code generation
97 bits (both Tree and RTL) to compile_function.  Should we hide
98 cgraph from the front ends and move back to rest_of_compilation
99 as the official interface?  Possibly we should rename all three
100 interfaces such that the names match in some meaningful way and
101 that is more descriptive than "rest_of".
103 The middle-end will, at its option, emit the function and data
104 definitions immediately or queue them for later processing.
106 @node Gimplification pass
107 @section Gimplification pass
109 @cindex gimplification
110 @cindex GIMPLE
111 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
112 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
113 (@pxref{GIMPLE}).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
114 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
115 section of code.
117 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
118 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
119 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
120 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
121 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
123 @findex gimplify_function_tree
124 @findex gimplify_expr
125 @findex lang_hooks.gimplify_expr
126 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
127 located in @file{gimplify.c}.  From here we process the entire
128 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
129 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
130 passes through here at least once, and it is from here that we
131 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
133 The callback should examine the expression in question and return
134 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
135 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
136 expression in some way to such that forward progress is made toward
137 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
138 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
139 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
140 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
141 If the callback encounters an error during the transformation (because
142 the front end is relying on the gimplification process to finish
143 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
145 @node Pass manager
146 @section Pass manager
148 The pass manager is located in @file{passes.c}, @file{tree-optimize.c}
149 and @file{tree-pass.h}.
150 It processes passes as described in @file{passes.def}.
151 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
152 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
154 The theory of operation is that each pass defines a structure that
155 represents everything we need to know about that pass---when it
156 should be run, how it should be run, what intermediate language
157 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
158 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
159 for everything to happen in the correct order.
161 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
162 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
163 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
164 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
165 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
166 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
168 Each pass should have a unique name.
169 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
170 Passes with a name starting with a star do not dump anything.
171 Sometimes passes are supposed to share a dump file / option name.
172 To still give these unique names, you can use a prefix that is delimited
173 by a space from the part that is used for the dump file / option name.
174 E.g. When the pass name is "ud dce", the name used for dump file/options
175 is "dce".
177 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
178 and a brief description of how a new pass should use it.
179 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
181 @node Tree SSA passes
182 @section Tree SSA passes
184 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
185 run after gimplification and what source files they are located in.
187 @itemize @bullet
188 @item Remove useless statements
190 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
191 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
192 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
193 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
194 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
195 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
196 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
197 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.c} and described by
198 @code{pass_remove_useless_stmts}.
200 @item OpenMP lowering
202 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
203 OpenMP constructs into GIMPLE.
205 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
206 expressions for local variables that have been mapped using data
207 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
208 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
209 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is
210 described by @code{pass_lower_omp}.
212 @item OpenMP expansion
214 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
215 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
216 library.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is described by
217 @code{pass_expand_omp}.
219 @item Lower control flow
221 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
222 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
223 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
224 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
225 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
226 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
227 pass is found in @file{gimple-low.c} and is described by
228 @code{pass_lower_cf}.
230 @item Lower exception handling control flow
232 This pass decomposes high-level exception handling constructs
233 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
234 that explicitly represents the control flow involved.  After this
235 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
236 number for any statement that may have EH control flow semantics;
237 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
238 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
239 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
240 in @file{except.h} and built in @file{except.c}.  The lowering pass
241 itself is in @file{tree-eh.c} and is described by @code{pass_lower_eh}.
243 @item Build the control flow graph
245 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
246 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
247 is described by @code{pass_build_cfg}.
249 @item Find all referenced variables
251 This pass walks the entire function and collects an array of all
252 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
253 index at which a variable is found in the array is used as a UID
254 for the variable within this function.  This data is needed by the
255 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.c}
256 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
258 @item Enter static single assignment form
260 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
261 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
262 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
263 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
264 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
265 located in @file{tree-ssa.c} and is described by @code{pass_build_ssa}.
267 @item Warn for uninitialized variables
269 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
270 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
271 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
272 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
273 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
274 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.c}
275 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
276 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
278 @item Dead code elimination
280 This pass scans the function for statements without side effects whose
281 result is unused.  It does not do memory life analysis, so any value
282 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
283 times throughout the optimization process.  It is located in
284 @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_dce}.
286 @item Dominator optimizations
288 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
289 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
290 throughout the optimization process.  It is located in @file{tree-ssa-dom.c}
291 and is described by @code{pass_dominator}.
293 @item Forward propagation of single-use variables
295 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
296 variables that are used once into the expression that uses them and
297 seeing if the result can be simplified.  It is located in
298 @file{tree-ssa-forwprop.c} and is described by @code{pass_forwprop}.
300 @item Copy Renaming
302 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
303 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
304 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
305 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
306 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
307 @code{pass_copyrename}.
309 @item PHI node optimizations
311 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
312 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
313 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.c} and is described by
314 @code{pass_phiopt}.
316 @item May-alias optimization
318 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
319 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
320 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
321 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
322 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
323 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
324 in @file{tree-ssa-alias.c} and is described by @code{pass_may_alias}.
326 Interprocedural points-to information is located in
327 @file{tree-ssa-structalias.c} and described by @code{pass_ipa_pta}.
329 @item Profiling
331 This pass instruments the function in order to collect runtime block
332 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
333 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
334 execution frequencies.  The pass is located in @file{tree-profile.c} and
335 is described by @code{pass_ipa_tree_profile}.
337 @item Static profile estimation
339 This pass implements series of heuristics to guess propababilities
340 of branches.  The resulting predictions are turned into edge profile
341 by propagating branches across the control flow graphs.
342 The pass is located in @file{tree-profile.c} and is described by
343 @code{pass_profile}.
345 @item Lower complex arithmetic
347 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
348 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.c}
349 and is described by @code{pass_lower_complex}.
351 @item Scalar replacement of aggregates
353 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
354 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
355 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
356 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
357 @file{tree-sra.c} and is described by @code{pass_sra}.
359 @item Dead store elimination
361 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
362 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
363 in @file{tree-ssa-dse.c} and is described by @code{pass_dse}.
365 @item Tail recursion elimination
367 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
368 @file{tree-tailcall.c} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
370 @item Forward store motion
372 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
373 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.c} and is
374 described by @code{pass_sink_code}.
376 @item Partial redundancy elimination
378 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
379 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.c}
380 and is described by @code{pass_pre}.
382 Just before partial redundancy elimination, if
383 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
384 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
385 in @file{tree-ssa-math-opts.c} and is described by
386 @code{pass_cse_reciprocal}.
388 @item Full redundancy elimination
390 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
391 occur on all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.c} and
392 described by @code{pass_fre}.
394 @item Loop optimization
396 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.c}
397 and described by @code{pass_loop}.
399 The optimizations performed by this pass are:
401 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
402 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
403 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
404 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
405 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
406 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.c}.
408 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
409 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
410 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
411 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
412 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c}.
414 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
415 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
416 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
417 @file{tree-ssa-loop-ivopts.c}.
419 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
420 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
421 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
422 @file{tree-ssa-loop-unswitch.c}.
424 Loop splitting.  If a loop contains a conditional statement that is
425 always true for one part of the iteration space and false for the other
426 this pass splits the loop into two, one dealing with one side the other
427 only with the other, thereby removing one inner-loop conditional.  The
428 pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-split.c}.
430 The optimizations also use various utility functions contained in
431 @file{tree-ssa-loop-manip.c}, @file{cfgloop.c}, @file{cfgloopanal.c} and
432 @file{cfgloopmanip.c}.
434 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
435 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
436 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate
437 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is
438 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
439 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the
440 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
441 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
442 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the
443 loop.
444 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
445 @file{tree-vect-loop.c} and @file{tree-vect-loop-manip.c} (loop specific parts
446 and general loop utilities), @file{tree-vect-slp} (loop-aware SLP
447 functionality), @file{tree-vect-stmts.c} and @file{tree-vect-data-refs.c}.
448 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.c}.
450 SLP Vectorization.  This pass performs vectorization of straight-line code. The
451 pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
452 @file{tree-vect-slp.c}, @file{tree-vect-stmts.c} and
453 @file{tree-vect-data-refs.c}.
455 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
456 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.c}.
458 Graphite is a loop transformation framework based on the polyhedral
459 model.  Graphite stands for Gimple Represented as Polyhedra.  The
460 internals of this infrastructure are documented in
461 @w{@uref{http://gcc.gnu.org/wiki/Graphite}}.  The passes working on
462 this representation are implemented in the various @file{graphite-*}
463 files.
465 @item Tree level if-conversion for vectorizer
467 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
468 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
469 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
470 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
471 and available vector operations.  This pass is located in
472 @file{tree-if-conv.c} and is described by @code{pass_if_conversion}.
474 @item Conditional constant propagation
476 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
477 that must be constant even in the presence of conditional branches.
478 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and is described
479 by @code{pass_ccp}.
481 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
482 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and described by
483 @code{pass_store_ccp}.
485 @item Conditional copy propagation
487 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
488 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
489 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
490 @code{pass_copy_prop}.
492 A related pass that works on memory copies, and not just register
493 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
494 @code{pass_store_copy_prop}.
496 @item Value range propagation
498 This transformation is similar to constant propagation but
499 instead of propagating single constant values, it propagates
500 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
501 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
502 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
503 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
504 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
505 range per SSA name. This means that the current implementation
506 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
507 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.c} and is
508 described by @code{pass_vrp}.
510 @item Folding built-in functions
512 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
513 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
514 @file{tree-ssa-ccp.c} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
516 @item Split critical edges
518 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
519 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
520 @file{tree-cfg.c} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
522 @item Control dependence dead code elimination
524 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
525 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
526 in @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_cd_dce}.
528 @item Tail call elimination
530 This pass identifies function calls that may be rewritten into
531 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
532 data and control flow problem is solved.  The code transformation
533 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
534 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
535 The pass is located in @file{tree-tailcall.c} and is described by
536 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
537 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.c}.
539 @item Warn for function return without value
541 For non-void functions, this pass locates return statements that do
542 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
543 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
544 run last so that we have as much time as possible to prove that the
545 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
546 is described by @code{pass_warn_function_return}.
548 @item Leave static single assignment form
550 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
551 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
552 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
553 pass is located in @file{tree-outof-ssa.c} and is described by
554 @code{pass_del_ssa}.
556 @item Merge PHI nodes that feed into one another
558 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
559 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
560 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.c} and is described by
561 @code{pass_merge_phi}.
563 @item Return value optimization
565 If a function always returns the same local variable, and that local
566 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
567 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
568 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
569 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.c} and is described by
570 @code{pass_nrv}.
572 @item Return slot optimization
574 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
575 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
576 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
577 pass is located in @code{tree-nrv.c} and is described by
578 @code{pass_return_slot}.
580 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size}
582 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls
583 to @code{__builtin_object_size} when the size of the object can be
584 computed at compile-time.  This pass is located in
585 @file{tree-object-size.c} and is described by
586 @code{pass_object_sizes}.
588 @item Loop invariant motion
590 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
591 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.c} and described by
592 @code{pass_lim}.
594 @item Loop nest optimizations
596 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
597 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
598 all geared to the optimization of data locality in array traversals
599 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
600 parallelization and vectorization.  The pass is located in
601 @file{tree-loop-linear.c} and described by
602 @code{pass_linear_transform}.
604 @item Removal of empty loops
606 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
607 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
608 @code{pass_empty_loop}.
610 @item Unrolling of small loops
612 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
613 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
614 @code{pass_complete_unroll}.
616 @item Predictive commoning
618 This pass makes the code reuse the computations from the previous
619 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
620 It does so by storing the values of these computations to a bank
621 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
622 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
623 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
624 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.c}
625 and described by @code{pass_predcom}.
627 @item Array prefetching
629 This pass issues prefetch instructions for array references inside
630 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.c} and
631 described by @code{pass_loop_prefetch}.
633 @item Reassociation
635 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
636 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
637 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.c} and described by
638 @code{pass_reassoc}.
640 @item Optimization of @code{stdarg} functions
642 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
643 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
644 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
645 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
646 escape the function, it is only necessary to save registers that will
647 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
648 only used with integral types in the function, floating point
649 registers don't need to be saved.  This pass is located in
650 @code{tree-stdarg.c} and described by @code{pass_stdarg}.
652 @end itemize
654 @node RTL passes
655 @section RTL passes
657 The following briefly describes the RTL generation and optimization
658 passes that are run after the Tree optimization passes.
660 @itemize @bullet
661 @item RTL generation
663 @c Avoiding overfull is tricky here.
664 The source files for RTL generation include
665 @file{stmt.c},
666 @file{calls.c},
667 @file{expr.c},
668 @file{explow.c},
669 @file{expmed.c},
670 @file{function.c},
671 @file{optabs.c}
672 and @file{emit-rtl.c}.
673 Also, the file
674 @file{insn-emit.c}, generated from the machine description by the
675 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
676 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
678 @findex genflags
679 @findex gencodes
680 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
681 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
682 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
683 for use and which patterns correspond to them.
685 @item Generation of exception landing pads
687 This pass generates the glue that handles communication between the
688 exception handling library routines and the exception handlers within
689 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
690 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
691 for this pass is located in @file{except.c}.
693 @item Control flow graph cleanup
695 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
696 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
697 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
698 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
699 @file{cfgcleanup.c}, and there are support routines in @file{cfgrtl.c}
700 and @file{jump.c}.
702 @item Forward propagation of single-def values
704 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
705 variables that come from a single definition, and
706 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
707 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
708 being propagated into loops only on the second run.  The code is
709 located in @file{fwprop.c}.
711 @item Common subexpression elimination
713 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
714 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
715 The code for this pass is located in @file{cse.c}.
717 @item Global common subexpression elimination
719 This pass performs two
720 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
721 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
722 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
723 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
724 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
725 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
726 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
727 well as load motion.
728 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
729 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
730 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
731 and store motion when optimizing for speed.
732 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
733 global constant and  copy propagation.
734 The source file for this pass is @file{gcse.c}, and the LCM routines
735 are in @file{lcm.c}.
737 @item Loop optimization
739 This pass performs several loop related optimizations.
740 The source files @file{cfgloopanal.c} and @file{cfgloopmanip.c} contain
741 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
742 of loop structures is handled by @file{loop-init.c}.
743 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.c}.
744 Basic block level optimizations---unrolling, and peeling loops---
745 are implemented in @file{loop-unroll.c}.
746 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
747 instructions is handled by @file{loop-doloop.c}.
749 @item Jump bypassing
751 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
752 flow graph of a function by propagating constants into conditional
753 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.c}.
755 @item If conversion
757 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
758 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
759 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
760 invocation after reload/LRA, it will generate predicated instructions
761 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.c}.
763 @item Web construction
765 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
766 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
767 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.c}.
769 @item Instruction combination
771 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
772 are related by data flow into single instructions.  It combines the
773 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
774 result using algebra, and then attempts to match the result against
775 the machine description.  The code is located in @file{combine.c}.
777 @item Mode switching optimization
779 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
780 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
781 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
782 completely target-specific.  The code for this pass is located in
783 @file{mode-switching.c}.
785 @cindex modulo scheduling
786 @cindex sms, swing, software pipelining
787 @item Modulo scheduling
789 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
790 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
791 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
792 located in @file{modulo-sched.c}.
794 @item Instruction scheduling
796 This pass looks for instructions whose output will not be available by
797 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
798 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
799 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
800 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
801 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
802 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.c},
803 @file{sched-deps.c}, @file{sched-ebb.c}, @file{sched-rgn.c} and
804 @file{sched-vis.c}.
806 @item Register allocation
808 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
809 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
810 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
811 them on the stack.  This is done in several subpasses:
813 @itemize @bullet
814 @item
815 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
816 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
817 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
818 has better integration with the reload/LRA pass.  Pseudo-registers spilled
819 by the allocator or the reload/LRA have still a chance to get
820 hard-registers if the reload/LRA evicts some pseudo-registers from
821 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
822 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
823 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
824 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
825 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
826 register pressure but the user can force it to use one region or
827 regions corresponding to all loops.
829 Source files of the allocator are @file{ira.c}, @file{ira-build.c},
830 @file{ira-costs.c}, @file{ira-conflicts.c}, @file{ira-color.c},
831 @file{ira-emit.c}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
832 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
833 and the rest of the compiler and between the IRA files.
835 @cindex reloading
836 @item
837 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
838 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
839 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
840 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
841 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
842 up these instructions by reloading the problematical values
843 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
844 do the copying.
846 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
847 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
849 Source files are @file{reload.c} and @file{reload1.c}, plus the header
850 @file{reload.h} used for communication between them.
852 @cindex Local Register Allocator (LRA)
853 @item
854 This pass is a modern replacement of the reload pass.  Source files
855 are @file{lra.c}, @file{lra-assign.c}, @file{lra-coalesce.c},
856 @file{lra-constraints.c}, @file{lra-eliminations.c},
857 @file{lra-lives.c}, @file{lra-remat.c}, @file{lra-spills.c}, the
858 header @file{lra-int.h} used for communication between them, and the
859 header @file{lra.h} used for communication between LRA and the rest of
860 compiler.
862 Unlike the reload pass, intermediate LRA decisions are reflected in
863 RTL as much as possible.  This reduces the number of target-dependent
864 macros and hooks, leaving instruction constraints as the primary
865 source of control.
867 LRA is run on targets for which TARGET_LRA_P returns true.
868 @end itemize
870 @item Basic block reordering
872 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
873 information is not available, various types of static analysis are
874 performed to make the predictions normally coming from the profile
875 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
876 implemented in the file @file{bb-reorder.c}, and the various
877 prediction routines are in @file{predict.c}.
879 @item Variable tracking
881 This pass computes where the variables are stored at each
882 position in code and generates notes describing the variable locations
883 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
884 notes to debug information if the debugging information format supports
885 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.c}.
887 @item Delayed branch scheduling
889 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
890 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
891 for this pass is located in @file{reorg.c}.
893 @item Branch shortening
895 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
896 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
897 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
898 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
899 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
900 The code for this pass is located in @file{final.c}.
902 @item Register-to-stack conversion
904 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
905 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
906 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
907 code for this pass is located in @file{reg-stack.c}.
909 @item Final
911 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
912 are @file{final.c} plus @file{insn-output.c}; the latter is generated
913 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
914 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
915 these files.
917 @item Debugging information output
919 This is run after final because it must output the stack slot offsets
920 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
921 are @file{dbxout.c} for DBX symbol table format, @file{dwarfout.c} for
922 DWARF symbol table format, files @file{dwarf2out.c} and @file{dwarf2asm.c}
923 for DWARF2 symbol table format, and @file{vmsdbgout.c} for VMS debug
924 symbol table format.
926 @end itemize
928 @node Optimization info
929 @section Optimization info
930 @include optinfo.texi