docs/OptBisect.rst

   1 ====================================================
   2 Using -opt-bisect-limit to debug optimization errors
   3 ====================================================
   4 .. contents::
   5    :local:
   6    :depth: 1
   7
   8 Introduction
   9 ============
  10
  11 The -opt-bisect-limit option provides a way to disable all optimization passes
  12 above a specified limit without modifying the way in which the Pass Managers
  13 are populated.  The intention of this option is to assist in tracking down
  14 problems where incorrect transformations during optimization result in incorrect
  15 run-time behavior.
  16
  17 This feature is implemented on an opt-in basis.  Passes which can be safely
  18 skipped while still allowing correct code generation call a function to
  19 check the opt-bisect limit before performing optimizations.  Passes which
  20 either must be run or do not modify the IR do not perform this check and are
  21 therefore never skipped.  Generally, this means analysis passes, passes
  22 that are run at CodeGenOpt::None and passes which are required for register
  23 allocation.
  24
  25 The -opt-bisect-limit option can be used with any tool, including front ends
  26 such as clang, that uses the core LLVM library for optimization and code
  27 generation.  The exact syntax for invoking the option is discussed below.
  28
  29 This feature is not intended to replace other debugging tools such as bugpoint.
  30 Rather it provides an alternate course of action when reproducing the problem
  31 requires a complex build infrastructure that would make using bugpoint
  32 impractical or when reproducing the failure requires a sequence of
  33 transformations that is difficult to replicate with tools like opt and llc.
  34
  35
  36 Getting Started
  37 ===============
  38
  39 The -opt-bisect-limit command line option can be passed directly to tools such
  40 as opt, llc and lli.  The syntax is as follows:
  41
  42 ::
  43
  44   <tool name> [other options] -opt-bisect-limit=<limit>
  45
  46 If a value of -1 is used the tool will perform all optimizations but a message
  47 will be printed to stderr for each optimization that could be skipped
  48 indicating the index value that is associated with that optimization.  To skip
  49 optimizations, pass the value of the last optimization to be performed as the
  50 opt-bisect-limit.  All optimizations with a higher index value will be skipped.
  51
  52 In order to use the -opt-bisect-limit option with a driver that provides a
  53 wrapper around the LLVM core library, an additional prefix option may be
  54 required, as defined by the driver.  For example, to use this option with
  55 clang, the "-mllvm" prefix must be used.  A typical clang invocation would look
  56 like this:
  57
  58 ::
  59
  60   clang -O2 -mllvm -opt-bisect-limit=256 my_file.c
  61
  62 The -opt-bisect-limit option may also be applied to link-time optimizations by
  63 using a prefix to indicate that this is a plug-in option for the linker. The
  64 following syntax will set a bisect limit for LTO transformations:
  65
  66 ::
  67
  68   # When using lld, or ld64 (macOS)
  69   clang -flto -Wl,-mllvm,-opt-bisect-limit=256 my_file.o my_other_file.o
  70   # When using Gold
  71   clang -flto -Wl,-plugin-opt,-opt-bisect-limit=256 my_file.o my_other_file.o
  72
  73 LTO passes are run by a library instance invoked by the linker. Therefore any
  74 passes run in the primary driver compilation phase are not affected by options
  75 passed via '-Wl,-plugin-opt' and LTO passes are not affected by options
  76 passed to the driver-invoked LLVM invocation via '-mllvm'.
  77
  78
  79 Bisection Index Values
  80 ======================
  81
  82 The granularity of the optimizations associated with a single index value is
  83 variable.  Depending on how the optimization pass has been instrumented the
  84 value may be associated with as much as all transformations that would have
  85 been performed by an optimization pass on an IR unit for which it is invoked
  86 (for instance, during a single call of runOnFunction for a FunctionPass) or as
  87 little as a single transformation. The index values may also be nested so that
  88 if an invocation of the pass is not skipped individual transformations within
  89 that invocation may still be skipped.
  90
  91 The order of the values assigned is guaranteed to remain stable and consistent
  92 from one run to the next up to and including the value specified as the limit.
  93 Above the limit value skipping of optimizations can cause a change in the
  94 numbering, but because all optimizations above the limit are skipped this
  95 is not a problem.
  96
  97 When an opt-bisect index value refers to an entire invocation of the run
  98 function for a pass, the pass will query whether or not it should be skipped
  99 each time it is invoked and each invocation will be assigned a unique value.
 100 For example, if a FunctionPass is used with a module containing three functions
 101 a different index value will be assigned to the pass for each of the functions
 102 as the pass is run. The pass may be run on two functions but skipped for the
 103 third.
 104
 105 If the pass internally performs operations on a smaller IR unit the pass must be
 106 specifically instrumented to enable bisection at this finer level of granularity
 107 (see below for details).
 108
 109
 110 Example Usage
 111 =============
 112
 113 .. code-block:: console
 114
 115   $ opt -O2 -o test-opt.bc -opt-bisect-limit=16 test.ll
 116
 117   BISECT: running pass (1) Simplify the CFG on function (g)
 118   BISECT: running pass (2) SROA on function (g)
 119   BISECT: running pass (3) Early CSE on function (g)
 120   BISECT: running pass (4) Infer set function attributes on module (test.ll)
 121   BISECT: running pass (5) Interprocedural Sparse Conditional Constant Propagation on module (test.ll)
 122   BISECT: running pass (6) Global Variable Optimizer on module (test.ll)
 123   BISECT: running pass (7) Promote Memory to Register on function (g)
 124   BISECT: running pass (8) Dead Argument Elimination on module (test.ll)
 125   BISECT: running pass (9) Combine redundant instructions on function (g)
 126   BISECT: running pass (10) Simplify the CFG on function (g)
 127   BISECT: running pass (11) Remove unused exception handling info on SCC (<<null function>>)
 128   BISECT: running pass (12) Function Integration/Inlining on SCC (<<null function>>)
 129   BISECT: running pass (13) Deduce function attributes on SCC (<<null function>>)
 130   BISECT: running pass (14) Remove unused exception handling info on SCC (f)
 131   BISECT: running pass (15) Function Integration/Inlining on SCC (f)
 132   BISECT: running pass (16) Deduce function attributes on SCC (f)
 133   BISECT: NOT running pass (17) Remove unused exception handling info on SCC (g)
 134   BISECT: NOT running pass (18) Function Integration/Inlining on SCC (g)
 135   BISECT: NOT running pass (19) Deduce function attributes on SCC (g)
 136   BISECT: NOT running pass (20) SROA on function (g)
 137   BISECT: NOT running pass (21) Early CSE on function (g)
 138   BISECT: NOT running pass (22) Speculatively execute instructions if target has divergent branches on function (g)
 139   ... etc. ...
 140
 141
 142 Pass Skipping Implementation
 143 ============================
 144
 145 The -opt-bisect-limit implementation depends on individual passes opting in to
 146 the opt-bisect process.  The OptBisect object that manages the process is
 147 entirely passive and has no knowledge of how any pass is implemented.  When a
 148 pass is run if the pass may be skipped, it should call the OptBisect object to
 149 see if it should be skipped.
 150
 151 The OptBisect object is intended to be accessed through LLVMContext and each
 152 Pass base class contains a helper function that abstracts the details in order
 153 to make this check uniform across all passes.  These helper functions are:
 154
 155 .. code-block:: c++
 156
 157   bool ModulePass::skipModule(Module &M);
 158   bool CallGraphSCCPass::skipSCC(CallGraphSCC &SCC);
 159   bool FunctionPass::skipFunction(const Function &F);
 160   bool BasicBlockPass::skipBasicBlock(const BasicBlock &BB);
 161   bool LoopPass::skipLoop(const Loop *L);
 162
 163 A MachineFunctionPass should use FunctionPass::skipFunction() as such:
 164
 165 .. code-block:: c++
 166
 167   bool MyMachineFunctionPass::runOnMachineFunction(Function &MF) {
 168     if (skipFunction(*MF.getFunction())
 169           return false;
 170     // Otherwise, run the pass normally.
 171   }
 172
 173 In addition to checking with the OptBisect class to see if the pass should be
 174 skipped, the skipFunction(), skipLoop() and skipBasicBlock() helper functions
 175 also look for the presence of the "optnone" function attribute.  The calling
 176 pass will be unable to determine whether it is being skipped because the
 177 "optnone" attribute is present or because the opt-bisect-limit has been
 178 reached.  This is desirable because the behavior should be the same in either
 179 case.
 180
 181 The majority of LLVM passes which can be skipped have already been instrumented
 182 in the manner described above.  If you are adding a new pass or believe you
 183 have found a pass which is not being included in the opt-bisect process but
 184 should be, you can add it as described above.
 185
 186
 187 Adding Finer Granularity
 188 ========================
 189
 190 Once the pass in which an incorrect transformation is performed has been
 191 determined, it may be useful to perform further analysis in order to determine
 192 which specific transformation is causing the problem.  Debug counters
 193 can be used for this purpose.