[ThinLTO] Add code comment. NFC
[llvm-core.git] / docs / WritingAnLLVMPass.rst
blobddf045acb74ad62bcece742ac2e0d10cb60d582c
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
5 .. program:: opt
7 .. contents::
8     :local:
10 Introduction --- What is a pass?
11 ================================
13 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
14 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
15 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
16 build the analysis results that are used by these transformations, and they
17 are, above all, a structuring technique for compiler code.
19 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
20 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
21 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
22 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
23 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
24 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
25 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
26 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
27 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>`, or :ref:`BasicBlockPass
28 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>` classes, which gives the system more
29 information about what your pass does, and how it can be combined with other
30 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
31 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
32 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
34 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
35 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
36 advanced features are discussed.
38 Quick Start --- Writing hello world
39 ===================================
41 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
42 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
43 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
44 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
45 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
47 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
49 Setting up the build environment
50 --------------------------------
52 First, configure and build LLVM.  Next, you need to create a new directory
53 somewhere in the LLVM source base.  For this example, we'll assume that you
54 made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up a build script
55 that will compile the source code for the new pass.  To do this,
56 copy the following into ``CMakeLists.txt``:
58 .. code-block:: cmake
60   add_llvm_library( LLVMHello MODULE
61     Hello.cpp
62   
63     PLUGIN_TOOL
64     opt
65     )
67 and the following line into ``lib/Transforms/CMakeLists.txt``:
69 .. code-block:: cmake
71   add_subdirectory(Hello)
73 (Note that there is already a directory named ``Hello`` with a sample "Hello"
74 pass; you may play with it -- in which case you don't need to modify any
75 ``CMakeLists.txt`` files -- or, if you want to create everything from scratch,
76 use another name.)
78 This build script specifies that ``Hello.cpp`` file in the current directory
79 is to be compiled and linked into a shared object ``$(LEVEL)/lib/LLVMHello.so`` that
80 can be dynamically loaded by the :program:`opt` tool via its :option:`-load`
81 option. If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as
82 Windows or macOS), the appropriate extension will be used.
84 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
85 the pass itself.
87 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
89 Basic code required
90 -------------------
92 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
93 Start out with:
95 .. code-block:: c++
97   #include "llvm/Pass.h"
98   #include "llvm/IR/Function.h"
99   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
101 Which are needed because we are writing a `Pass
102 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
103 `Function <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
104 be doing some printing.
106 Next we have:
108 .. code-block:: c++
110   using namespace llvm;
112 ... which is required because the functions from the include files live in the
113 llvm namespace.
115 Next we have:
117 .. code-block:: c++
119   namespace {
121 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
122 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
123 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
124 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
125 information.
127 Next, we declare our pass itself:
129 .. code-block:: c++
131   struct Hello : public FunctionPass {
133 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of :ref:`FunctionPass
134 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
135 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
136 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
138 .. code-block:: c++
140     static char ID;
141     Hello() : FunctionPass(ID) {}
143 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
144 to avoid using expensive C++ runtime information.
146 .. code-block:: c++
148     bool runOnFunction(Function &F) override {
149       errs() << "Hello: ";
150       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
151       return false;
152     }
153   }; // end of struct Hello
154   }  // end of anonymous namespace
156 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
157 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
158 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
159 thing, so we just print out our message with the name of each function.
161 .. code-block:: c++
163   char Hello::ID = 0;
165 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
166 initialization value is not important.
168 .. code-block:: c++
170   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
171                                false /* Only looks at CFG */,
172                                false /* Analysis Pass */);
174 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
175 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
176 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
177 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
178 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
179 the fourth argument.
181 If we want to register the pass as a step of an existing pipeline, some extension
182 points are provided, e.g. ``PassManagerBuilder::EP_EarlyAsPossible`` to apply our
183 pass before any optimization, or ``PassManagerBuilder::EP_FullLinkTimeOptimizationLast``
184 to apply it after Link Time Optimizations.
186 .. code-block:: c++
188     static llvm::RegisterStandardPasses Y(
189         llvm::PassManagerBuilder::EP_EarlyAsPossible,
190         [](const llvm::PassManagerBuilder &Builder,
191            llvm::legacy::PassManagerBase &PM) { PM.add(new Hello()); });
193 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
195 .. code-block:: c++
197   #include "llvm/Pass.h"
198   #include "llvm/IR/Function.h"
199   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
201   #include "llvm/IR/LegacyPassManager.h"
202   #include "llvm/Transforms/IPO/PassManagerBuilder.h"
204   using namespace llvm;
206   namespace {
207   struct Hello : public FunctionPass {
208     static char ID;
209     Hello() : FunctionPass(ID) {}
210   
211     bool runOnFunction(Function &F) override {
212       errs() << "Hello: ";
213       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
214       return false;
215     }
216   }; // end of struct Hello
217   }  // end of anonymous namespace
219   char Hello::ID = 0;
220   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
221                                false /* Only looks at CFG */,
222                                false /* Analysis Pass */);
224   static RegisterStandardPasses Y(
225       PassManagerBuilder::EP_EarlyAsPossible,
226       [](const PassManagerBuilder &Builder,
227          legacy::PassManagerBase &PM) { PM.add(new Hello()); });
229 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
230 from the top level of your build directory and you should get a new file
231 "``lib/LLVMHello.so``".  Note that everything in this file is
232 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
233 are self contained units that do not need external interfaces (although they
234 can have them) to be useful.
236 Running a pass with ``opt``
237 ---------------------------
239 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
240 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
241 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
242 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
244 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
245 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
246 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
247 will work):
249 .. code-block:: console
251   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello < hello.bc > /dev/null
252   Hello: __main
253   Hello: puts
254   Hello: main
256 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
257 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
258 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
259 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
260 the program in any interesting way, we just throw away the result of
261 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
263 To see what happened to the other string you registered, try running
264 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
266 .. code-block:: console
268   $ opt -load lib/LLVMHello.so -help
269   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer and analysis printer
271   USAGE: opt [subcommand] [options] <input bitcode file>
273   OPTIONS:
274     Optimizations available:
275   ...
276       -guard-widening           - Widen guards
277       -gvn                      - Global Value Numbering
278       -gvn-hoist                - Early GVN Hoisting of Expressions
279       -hello                    - Hello World Pass
280       -indvars                  - Induction Variable Simplification
281       -inferattrs               - Infer set function attributes
282   ...
284 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
285 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
286 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
287 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
288 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
289 nice command line option (:option:`-time-passes`) that allows you to get
290 information about the execution time of your pass along with the other passes
291 you queue up.  For example:
293 .. code-block:: console
295   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
296   Hello: __main
297   Hello: puts
298   Hello: main
299   ===-------------------------------------------------------------------------===
300                         ... Pass execution timing report ...
301   ===-------------------------------------------------------------------------===
302     Total Execution Time: 0.0007 seconds (0.0005 wall clock)
303   
304      ---User Time---   --User+System--   ---Wall Time---  --- Name ---
305      0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 75.7%)  Bitcode Writer
306      0.0003 ( 44.7%)   0.0003 ( 44.7%)   0.0001 ( 13.6%)  Hello World Pass
307      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0001 ( 10.7%)  Module Verifier
308      0.0007 (100.0%)   0.0007 (100.0%)   0.0005 (100.0%)  Total
310 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
311 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
312 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
313 hasn't been broken somehow.
315 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
316 about some more details of how they work and how to use them.
318 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
320 Pass classes and requirements
321 =============================
323 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
324 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
325 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
326 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
327 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
328 available, from the most general to the most specific.
330 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
331 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
332 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
333 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
334 slow.
336 The ``ImmutablePass`` class
337 ---------------------------
339 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
340 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
341 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
342 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
343 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
345 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
346 providing information about the current target machine being compiled for, and
347 other static information that can affect the various transformations.
349 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
350 invalidated, and are never "run".
352 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
354 The ``ModulePass`` class
355 ------------------------
357 The `ModulePass <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
358 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
359 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
360 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
361 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
362 subclasses, no optimization can be done for their execution.
364 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
365 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
366 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
367 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
368 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
369 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
370 declarations.
372 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
373 overload the ``runOnModule`` method with the following signature:
375 The ``runOnModule`` method
376 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
378 .. code-block:: c++
380   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
382 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
383 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
384 ``false`` otherwise.
386 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
388 The ``CallGraphSCCPass`` class
389 ------------------------------
391 The `CallGraphSCCPass
392 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
393 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
394 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
395 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
396 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
397 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
398 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` or :ref:`BasicBlockPass
399 <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`, you should derive from
400 ``CallGraphSCCPass``.
402 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
404 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
406 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
407    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
408 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
409    reflect any changes made to the program.
410 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
411    they may change the contents of an SCC.
412 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
413 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
414    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
416 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
417 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
418 described below should return ``true`` if they modified the program, or
419 ``false`` if they didn't.
421 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
422 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
424 .. code-block:: c++
426   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
428 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
429 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
430 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
431 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
432 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
433 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
435 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
437 The ``runOnSCC`` method
438 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
440 .. code-block:: c++
442   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
444 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
445 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
446 otherwise.
448 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
449 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
451 .. code-block:: c++
453   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
455 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
456 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnSCC
457 <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` for every SCC in the program being compiled.
459 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
461 The ``FunctionPass`` class
462 --------------------------
464 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
465 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
466 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
467 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
468 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
469 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
470 external functions.
472 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
474 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
475 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
476 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
477 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnFunction
478    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
480 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
481 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
482 ``FunctionPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
483 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
484 ``false`` if they didn't.
486 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
488 The ``doInitialization(Module &)`` method
489 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
491 .. code-block:: c++
493   virtual bool doInitialization(Module &M);
495 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
496 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
497 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
498 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
499 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
500 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
502 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
503 <http://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
504 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
505 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
506 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
507 needs, adding prototypes to the module if necessary.
509 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
511 The ``runOnFunction`` method
512 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
514 .. code-block:: c++
516   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
518 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
519 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
520 should be returned if the function is modified.
522 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
524 The ``doFinalization(Module &)`` method
525 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
527 .. code-block:: c++
529   virtual bool doFinalization(Module &M);
531 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
532 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
533 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
534 compiled.
536 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
538 The ``LoopPass`` class
539 ----------------------
541 All ``LoopPass`` execute on each :ref:`loop <loop-terminology>` in the function
542 independent of all of the other loops in the function.  ``LoopPass`` processes
543 loops in loop nest order such that outer most loop is processed last.
545 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
546 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
547 ``LoopPass``\ es may overload three virtual methods to do their work.  All
548 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
549 if they didn't.
551 A ``LoopPass`` subclass which is intended to run as part of the main loop pass
552 pipeline needs to preserve all of the same *function* analyses that the other
553 loop passes in its pipeline require. To make that easier,
554 a ``getLoopAnalysisUsage`` function is provided by ``LoopUtils.h``. It can be
555 called within the subclass's ``getAnalysisUsage`` override to get consistent
556 and correct behavior. Analogously, ``INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)``
557 will initialize this set of function analyses.
559 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
560 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
562 .. code-block:: c++
564   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
566 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
567 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
568 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
569 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
570 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
572 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
574 The ``runOnLoop`` method
575 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
577 .. code-block:: c++
579   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
581 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
582 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
583 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
584 should be used to update loop nest.
586 The ``doFinalization()`` method
587 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
589 .. code-block:: c++
591   virtual bool doFinalization();
593 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
594 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
595 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
597 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
599 The ``RegionPass`` class
600 ------------------------
602 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
603 but executes on each single entry single exit region in the function.
604 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
605 region is processed last.
607 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
608 ``RGPassManager`` interface.  You may overload three virtual methods of
609 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
610 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
612 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
613 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
615 .. code-block:: c++
617   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
619 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
620 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
621 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
622 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
623 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
625 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
627 The ``runOnRegion`` method
628 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
630 .. code-block:: c++
632   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
634 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
635 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
636 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
637 update region tree.
639 The ``doFinalization()`` method
640 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
642 .. code-block:: c++
644   virtual bool doFinalization();
646 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
647 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
648 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
649 compiled.
651 .. _writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass:
653 The ``BasicBlockPass`` class
654 ----------------------------
656 ``BasicBlockPass``\ es are just like :ref:`FunctionPass's
657 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , except that they must limit their scope
658 of inspection and modification to a single basic block at a time.  As such,
659 they are **not** allowed to do any of the following:
661 #. Modify or inspect any basic blocks outside of the current one.
662 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnBasicBlock
663    <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>`.
664 #. Modify the control flow graph (by altering terminator instructions)
665 #. Any of the things forbidden for :ref:`FunctionPasses
666    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.
668 ``BasicBlockPass``\ es are useful for traditional local and "peephole"
669 optimizations.  They may override the same :ref:`doInitialization(Module &)
670 <writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod>` and :ref:`doFinalization(Module &)
671 <writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod>` methods that :ref:`FunctionPass's
672 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` have, but also have the following virtual
673 methods that may also be implemented:
675 The ``doInitialization(Function &)`` method
676 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
678 .. code-block:: c++
680   virtual bool doInitialization(Function &F);
682 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
683 ``BasicBlockPass``\ es are not allowed to do, but that ``FunctionPass``\ es
684 can.  The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization
685 that does not depend on the ``BasicBlock``\ s being processed.  The
686 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
687 pass executions (thus it should be very fast).
689 .. _writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock:
691 The ``runOnBasicBlock`` method
692 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
694 .. code-block:: c++
696   virtual bool runOnBasicBlock(BasicBlock &BB) = 0;
698 Override this function to do the work of the ``BasicBlockPass``.  This function
699 is not allowed to inspect or modify basic blocks other than the parameter, and
700 are not allowed to modify the CFG.  A ``true`` value must be returned if the
701 basic block is modified.
703 The ``doFinalization(Function &)`` method
704 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
706 .. code-block:: c++
708     virtual bool doFinalization(Function &F);
710 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
711 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnBasicBlock
712 <writing-an-llvm-pass-runOnBasicBlock>` for every ``BasicBlock`` in the program
713 being compiled.  This can be used to perform per-function finalization.
715 The ``MachineFunctionPass`` class
716 ---------------------------------
718 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
719 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
721 Code generator passes are registered and initialized specially by
722 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
723 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
725 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
726 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
727 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
728 are not allowed to do any of the following:
730 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
731    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
732    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
733 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
734 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
735    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
737 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
739 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
740 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
742 .. code-block:: c++
744   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
746 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
747 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
748 work of your ``MachineFunctionPass``.
750 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
751 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
752 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
753 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
754 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
755 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
756 ``MachineFunctionPass``.
758 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
760 Pass registration
761 -----------------
763 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
764 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
765 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
766 registered.
768 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
769 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
770 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
771 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
772 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
773 as for debug output generated by the `--debug-pass` option.
775 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
776 print method:
778 The ``print`` method
779 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
781 .. code-block:: c++
783   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
785 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
786 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
787 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
788 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
790 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
791 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
792 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
793 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
794 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
795 depended on.
797 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
799 Specifying interactions between passes
800 --------------------------------------
802 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
803 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
804 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
805 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
806 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
807 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
808 which are invalidated by the current pass.
810 Typically this functionality is used to require that analysis results are
811 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
812 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
813 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
814 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
815 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
817 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
819 The ``getAnalysisUsage`` method
820 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
822 .. code-block:: c++
824   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
826 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
827 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
828 in the `AnalysisUsage
829 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
830 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
831 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
833 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
834 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
836 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
837 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
838 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
839 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
840 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
841 edges in the CFG when your pass has been run.
843 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
844 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
845 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
846 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
847 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
848 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
850 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
851 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
853 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
854 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
855 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
856 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
857 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
858 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
859 to invalidate all others.
861 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
862 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
863 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
864 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
865 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
866 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
867 instructions (note that this property is implicitly set for
868 :ref:`BasicBlockPass <writing-an-llvm-pass-BasicBlockPass>`\ es).
870 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
871 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
872 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
873 fact that it hacks on the CFG.
875 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
876 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
878 .. code-block:: c++
880   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
881   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
882     AU.setPreservesCFG();
883     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
884   }
886 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
888 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
889 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
891 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
892 providing you with access to the passes that you declared that you required
893 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
894 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
895 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
897 .. code-block:: c++
899   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
900     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
901     //...
902   }
904 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
905 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
906 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
907 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
908 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
909 invoked by your ``run*`` method.
911 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
912 For example:
914 .. code-block:: c++
916   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
917     //...
918     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
919     //...
920   }
922 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
923 manager before returning a reference to the desired pass.
925 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
926 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
927 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
928 it is active.  For example:
930 .. code-block:: c++
932   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
933     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
934   }
936 Implementing Analysis Groups
937 ----------------------------
939 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
940 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
941 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
942 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
943 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
944 required.
946 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
947 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
948 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
949 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
950 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
951 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
952 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
953 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
954 Analysis Groups.
956 Analysis Group Concepts
957 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
959 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
960 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
961 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
962 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
963 the "default" implementation.
965 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
966 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
967 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
968 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
969 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
970 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
971 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
972 apply.
974 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
975 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
976 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
977 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
978 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
979 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
980 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
982 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
983 `AliasAnalysis <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
984 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
985 (the `basicaa <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
986 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
987 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
988 Passes that use the `AliasAnalysis
989 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
990 example the `gvn <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GVN.html>`_ pass), do not
991 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
992 the designated interface.
994 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
995 command ``opt -gvn ...`` will cause the ``basicaa`` class to be instantiated
996 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gvn
997 ...`` will cause the ``gvn`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
998 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
1000 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
1002 Using ``RegisterAnalysisGroup``
1003 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1005 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
1006 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
1007 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
1008 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
1009 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
1010 itself, because it is "abstract":
1012 .. code-block:: c++
1014   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
1016 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
1017 implementations of the interface by using the following code:
1019 .. code-block:: c++
1021   namespace {
1022     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1023     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
1024         "A more complex alias analysis implementation",
1025         false,  // Is CFG Only?
1026         true,   // Is Analysis?
1027         false); // Is default Analysis Group implementation?
1028   }
1030 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
1031 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
1032 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
1033 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
1035 .. code-block:: c++
1037   namespace {
1038     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
1039     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basicaa",
1040         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
1041         false, // Is CFG Only?
1042         true,  // Is Analysis?
1043         true); // Is default Analysis Group implementation?
1044   }
1046 Here we show how the default implementation is specified (using the final
1047 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
1048 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
1049 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
1050 that the `BasicAliasAnalysis
1051 <http://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
1052 implementation for the interface.
1054 Pass Statistics
1055 ===============
1057 The `Statistic <http://llvm.org/doxygen/Statistic_8h_source.html>`_ class is
1058 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
1059 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
1060 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
1061 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
1063 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
1065 What PassManager does
1066 ---------------------
1068 The `PassManager <http://llvm.org/doxygen/PassManager_8h_source.html>`_ `class
1069 <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
1070 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
1071 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
1072 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
1074 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
1075 series of passes:
1077 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1078    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1079    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1080    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1081    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1082    results, allowing it to :ref:`free memory
1083    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1084    as soon as they are no longer needed.
1086 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1087    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1088    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1089    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1090    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1091    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1092    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1093    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1095    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1096    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1097    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1098    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1099    <http://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1100    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1101    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1103 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1104 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1105 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1106 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1107 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1108 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1110 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1111 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1112 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1113 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1114 "``opt -help-hidden``").
1116 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1117 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1118 passes.  Lets try it out with the gvn and licm passes:
1120 .. code-block:: console
1122   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1123   ModulePass Manager
1124     FunctionPass Manager
1125       Dominator Tree Construction
1126       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1127       Function Alias Analysis Results
1128       Memory Dependence Analysis
1129       Global Value Numbering
1130       Natural Loop Information
1131       Canonicalize natural loops
1132       Loop-Closed SSA Form Pass
1133       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1134       Function Alias Analysis Results
1135       Scalar Evolution Analysis
1136       Loop Pass Manager
1137         Loop Invariant Code Motion
1138       Module Verifier
1139     Bitcode Writer
1141 This output shows us when passes are constructed.
1142 Here we see that GVN uses dominator tree information to do its job.  The LICM pass
1143 uses natural loop information, which uses dominator tree as well.
1145 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1146 the :program:`opt` tool), which uses the dominator tree to check that the
1147 resultant LLVM code is well formed. Note that the dominator tree is computed
1148 once, and shared by three passes.
1150 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1151 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1153 .. code-block:: console
1155   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1156   ModulePass Manager
1157     FunctionPass Manager
1158       Dominator Tree Construction
1159       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1160       Function Alias Analysis Results
1161       Memory Dependence Analysis
1162       Global Value Numbering
1163       Hello World Pass
1164       Dominator Tree Construction
1165       Natural Loop Information
1166       Canonicalize natural loops
1167       Loop-Closed SSA Form Pass
1168       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1169       Function Alias Analysis Results
1170       Scalar Evolution Analysis
1171       Loop Pass Manager
1172         Loop Invariant Code Motion
1173       Module Verifier
1174     Bitcode Writer
1175   Hello: __main
1176   Hello: puts
1177   Hello: main
1179 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1180 has killed the Dominator Tree pass, even though it doesn't modify the code at
1181 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1182 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1184 .. code-block:: c++
1186   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1187   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1188     AU.setPreservesAll();
1189   }
1191 Now when we run our pass, we get this output:
1193 .. code-block:: console
1195   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1196   Pass Arguments:  -gvn -hello -licm
1197   ModulePass Manager
1198     FunctionPass Manager
1199       Dominator Tree Construction
1200       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1201       Function Alias Analysis Results
1202       Memory Dependence Analysis
1203       Global Value Numbering
1204       Hello World Pass
1205       Natural Loop Information
1206       Canonicalize natural loops
1207       Loop-Closed SSA Form Pass
1208       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1209       Function Alias Analysis Results
1210       Scalar Evolution Analysis
1211       Loop Pass Manager
1212         Loop Invariant Code Motion
1213       Module Verifier
1214     Bitcode Writer
1215   Hello: __main
1216   Hello: puts
1217   Hello: main
1219 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1220 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1222 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1224 The ``releaseMemory`` method
1225 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1227 .. code-block:: c++
1229   virtual void releaseMemory();
1231 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1232 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1233 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1234 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1235 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1237 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1238 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1239 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1240 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1241 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1242 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1244 Registering dynamically loaded passes
1245 =====================================
1247 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1248 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1249 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1250 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1251 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1252 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1254 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1255 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1257 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1258 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1259 communicates additions and deletions to the command line interface.
1261 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1262 information provided about a particular pass.  This information includes the
1263 command line name, the command help string and the address of the function used
1264 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1265 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1266 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1267 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1268 load and unregister at unload.
1270 Using existing registries
1271 -------------------------
1273 There are predefined registries to track instruction scheduling
1274 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1275 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1276 pass.
1278 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1279 ``.cpp`` file add the following include:
1281 .. code-block:: c++
1283   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1285 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1286 form:
1288 .. code-block:: c++
1290   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1291     return new MyRegisterAllocator();
1292   }
1294 Note that the signature of this function should match the type of
1295 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1296 declaration, in the form:
1298 .. code-block:: c++
1300   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1301                                      "my register allocator help string",
1302                                      createMyRegisterAllocator);
1304 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1305 :option:`-help` query.
1307 .. code-block:: console
1309   $ llc -help
1310     ...
1311     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1312       =linearscan                -   linear scan register allocator
1313       =local                     -   local register allocator
1314       =simple                    -   simple register allocator
1315       =myregalloc                -   my register allocator help string
1316     ...
1318 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1319 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1320 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1321 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1322 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1324 To force the load/linking of your register allocator into the
1325 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1326 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1327 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1329 Creating new registries
1330 -----------------------
1332 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1333 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1334 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1336 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1337 ``RegisterMyPasses`` then define:
1339 .. code-block:: c++
1341   MachinePassRegistry RegisterMyPasses::Registry;
1343 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1345 .. code-block:: c++
1347   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1348           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1349   MyPassOpt("mypass",
1350             cl::init(&createDefaultMyPass),
1351             cl::desc("my pass option help"));
1353 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1354 default creator.
1356 Using GDB with dynamically loaded passes
1357 ----------------------------------------
1359 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1360 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1361 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1362 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1363 with GDB.
1365 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1366 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1367 depends on that.
1369 Setting a breakpoint in your pass
1370 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1372 First thing you do is start gdb on the opt process:
1374 .. code-block:: console
1376   $ gdb opt
1377   GNU gdb 5.0
1378   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1379   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1380   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1381   Type "show copying" to see the conditions.
1382   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1383   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1384   (gdb)
1386 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1387 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1388 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1389 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1390 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1391 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1393 .. code-block:: console
1395   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1396   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1397   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1398   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1399   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1400   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1401   (gdb)
1403 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1404 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1405 do other standard debugging stuff.
1407 Miscellaneous Problems
1408 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1410 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1411 some with solutions, some without.
1413 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1414   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1415   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1416   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1417   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1419 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1420   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1421   Next thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1422   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1423   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1424   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1425   execution stops in ``PassManager::run``.
1427 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1428 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1429 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1431 Future extensions planned
1432 -------------------------
1434 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1435 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1436 where we are going:
1438 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1440 Multithreaded LLVM
1441 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1443 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1444 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1445 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1446 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1447 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1448 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1449 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1451 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1452 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1453 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1454 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1455 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.