2011-09-15 Tom de Vries <tom@codesourcery.com>
[official-gcc.git] / gcc / doc / tree-ssa.texi
blobb09b094560b5bfd137be21169bbe61469fc962fa
1 @c Copyright (c) 2004, 2005, 2007, 2008, 2010
2 @c Free Software Foundation, Inc.
3 @c This is part of the GCC manual.
4 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
6 @c ---------------------------------------------------------------------
7 @c Tree SSA
8 @c ---------------------------------------------------------------------
10 @node Tree SSA
11 @chapter Analysis and Optimization of GIMPLE tuples
12 @cindex Tree SSA
13 @cindex Optimization infrastructure for GIMPLE
15 GCC uses three main intermediate languages to represent the program
16 during compilation: GENERIC, GIMPLE and RTL@.  GENERIC is a
17 language-independent representation generated by each front end.  It
18 is used to serve as an interface between the parser and optimizer.
19 GENERIC is a common representation that is able to represent programs
20 written in all the languages supported by GCC@.
22 GIMPLE and RTL are used to optimize the program.  GIMPLE is used for
23 target and language independent optimizations (e.g., inlining,
24 constant propagation, tail call elimination, redundancy elimination,
25 etc).  Much like GENERIC, GIMPLE is a language independent, tree based
26 representation.  However, it differs from GENERIC in that the GIMPLE
27 grammar is more restrictive: expressions contain no more than 3
28 operands (except function calls), it has no control flow structures
29 and expressions with side-effects are only allowed on the right hand
30 side of assignments.  See the chapter describing GENERIC and GIMPLE
31 for more details.
33 This chapter describes the data structures and functions used in the
34 GIMPLE optimizers (also known as ``tree optimizers'' or ``middle
35 end'').  In particular, it focuses on all the macros, data structures,
36 functions and programming constructs needed to implement optimization
37 passes for GIMPLE@.
39 @menu
40 * Annotations::         Attributes for variables.
41 * SSA Operands::        SSA names referenced by GIMPLE statements.
42 * SSA::                 Static Single Assignment representation.
43 * Alias analysis::      Representing aliased loads and stores.
44 * Memory model::        Memory model used by the middle-end.
45 @end menu
47 @node Annotations
48 @section Annotations
49 @cindex annotations
51 The optimizers need to associate attributes with variables during the
52 optimization process.  For instance, we need to know whether a
53 variable has aliases.  All these attributes are stored in data
54 structures called annotations which are then linked to the field
55 @code{ann} in @code{struct tree_common}.
57 Presently, we define annotations for variables (@code{var_ann_t}).
58 Annotations are defined and documented in @file{tree-flow.h}.
61 @node SSA Operands
62 @section SSA Operands
63 @cindex operands
64 @cindex virtual operands
65 @cindex real operands
66 @findex update_stmt
68 Almost every GIMPLE statement will contain a reference to a variable
69 or memory location.  Since statements come in different shapes and
70 sizes, their operands are going to be located at various spots inside
71 the statement's tree.  To facilitate access to the statement's
72 operands, they are organized into lists associated inside each
73 statement's annotation.  Each element in an operand list is a pointer
74 to a @code{VAR_DECL}, @code{PARM_DECL} or @code{SSA_NAME} tree node.
75 This provides a very convenient way of examining and replacing
76 operands.
78 Data flow analysis and optimization is done on all tree nodes
79 representing variables.  Any node for which @code{SSA_VAR_P} returns
80 nonzero is considered when scanning statement operands.  However, not
81 all @code{SSA_VAR_P} variables are processed in the same way.  For the
82 purposes of optimization, we need to distinguish between references to
83 local scalar variables and references to globals, statics, structures,
84 arrays, aliased variables, etc.  The reason is simple, the compiler
85 can gather complete data flow information for a local scalar.  On the
86 other hand, a global variable may be modified by a function call, it
87 may not be possible to keep track of all the elements of an array or
88 the fields of a structure, etc.
90 The operand scanner gathers two kinds of operands: @dfn{real} and
91 @dfn{virtual}.  An operand for which @code{is_gimple_reg} returns true
92 is considered real, otherwise it is a virtual operand.  We also
93 distinguish between uses and definitions.  An operand is used if its
94 value is loaded by the statement (e.g., the operand at the RHS of an
95 assignment).  If the statement assigns a new value to the operand, the
96 operand is considered a definition (e.g., the operand at the LHS of
97 an assignment).
99 Virtual and real operands also have very different data flow
100 properties.  Real operands are unambiguous references to the
101 full object that they represent.  For instance, given
103 @smallexample
105   int a, b;
106   a = b
108 @end smallexample
110 Since @code{a} and @code{b} are non-aliased locals, the statement
111 @code{a = b} will have one real definition and one real use because
112 variable @code{a} is completely modified with the contents of
113 variable @code{b}.  Real definition are also known as @dfn{killing
114 definitions}.  Similarly, the use of @code{b} reads all its bits.
116 In contrast, virtual operands are used with variables that can have
117 a partial or ambiguous reference.  This includes structures, arrays,
118 globals, and aliased variables.  In these cases, we have two types of
119 definitions.  For globals, structures, and arrays, we can determine from
120 a statement whether a variable of these types has a killing definition.
121 If the variable does, then the statement is marked as having a
122 @dfn{must definition} of that variable.  However, if a statement is only
123 defining a part of the variable (i.e.@: a field in a structure), or if we
124 know that a statement might define the variable but we cannot say for sure,
125 then we mark that statement as having a @dfn{may definition}.  For
126 instance, given
128 @smallexample
130   int a, b, *p;
132   if (@dots{})
133     p = &a;
134   else
135     p = &b;
136   *p = 5;
137   return *p;
139 @end smallexample
141 The assignment @code{*p = 5} may be a definition of @code{a} or
142 @code{b}.  If we cannot determine statically where @code{p} is
143 pointing to at the time of the store operation, we create virtual
144 definitions to mark that statement as a potential definition site for
145 @code{a} and @code{b}.  Memory loads are similarly marked with virtual
146 use operands.  Virtual operands are shown in tree dumps right before
147 the statement that contains them.  To request a tree dump with virtual
148 operands, use the @option{-vops} option to @option{-fdump-tree}:
150 @smallexample
152   int a, b, *p;
154   if (@dots{})
155     p = &a;
156   else
157     p = &b;
158   # a = VDEF <a>
159   # b = VDEF <b>
160   *p = 5;
162   # VUSE <a>
163   # VUSE <b>
164   return *p;
166 @end smallexample
168 Notice that @code{VDEF} operands have two copies of the referenced
169 variable.  This indicates that this is not a killing definition of
170 that variable.  In this case we refer to it as a @dfn{may definition}
171 or @dfn{aliased store}.  The presence of the second copy of the
172 variable in the @code{VDEF} operand will become important when the
173 function is converted into SSA form.  This will be used to link all
174 the non-killing definitions to prevent optimizations from making
175 incorrect assumptions about them.
177 Operands are updated as soon as the statement is finished via a call
178 to @code{update_stmt}.  If statement elements are changed via
179 @code{SET_USE} or @code{SET_DEF}, then no further action is required
180 (i.e., those macros take care of updating the statement).  If changes
181 are made by manipulating the statement's tree directly, then a call
182 must be made to @code{update_stmt} when complete.  Calling one of the
183 @code{bsi_insert} routines or @code{bsi_replace} performs an implicit
184 call to @code{update_stmt}.
186 @subsection Operand Iterators And Access Routines
187 @cindex Operand Iterators
188 @cindex Operand Access Routines
190 Operands are collected by @file{tree-ssa-operands.c}.  They are stored
191 inside each statement's annotation and can be accessed through either the
192 operand iterators or an access routine.
194 The following access routines are available for examining operands:
196 @enumerate
197 @item @code{SINGLE_SSA_@{USE,DEF,TREE@}_OPERAND}: These accessors will return
198 NULL unless there is exactly one operand matching the specified flags.  If
199 there is exactly one operand, the operand is returned as either a @code{tree},
200 @code{def_operand_p}, or @code{use_operand_p}.
202 @smallexample
203 tree t = SINGLE_SSA_TREE_OPERAND (stmt, flags);
204 use_operand_p u = SINGLE_SSA_USE_OPERAND (stmt, SSA_ALL_VIRTUAL_USES);
205 def_operand_p d = SINGLE_SSA_DEF_OPERAND (stmt, SSA_OP_ALL_DEFS);
206 @end smallexample
208 @item @code{ZERO_SSA_OPERANDS}: This macro returns true if there are no
209 operands matching the specified flags.
211 @smallexample
212 if (ZERO_SSA_OPERANDS (stmt, SSA_OP_ALL_VIRTUALS))
213   return;
214 @end smallexample
216 @item @code{NUM_SSA_OPERANDS}: This macro Returns the number of operands
217 matching 'flags'.  This actually executes a loop to perform the count, so
218 only use this if it is really needed.
220 @smallexample
221 int count = NUM_SSA_OPERANDS (stmt, flags)
222 @end smallexample
223 @end enumerate
226 If you wish to iterate over some or all operands, use the
227 @code{FOR_EACH_SSA_@{USE,DEF,TREE@}_OPERAND} iterator.  For example, to print
228 all the operands for a statement:
230 @smallexample
231 void
232 print_ops (tree stmt)
234   ssa_op_iter;
235   tree var;
237   FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND (var, stmt, iter, SSA_OP_ALL_OPERANDS)
238     print_generic_expr (stderr, var, TDF_SLIM);
240 @end smallexample
243 How to choose the appropriate iterator:
245 @enumerate
246 @item Determine whether you are need to see the operand pointers, or just the
247 trees, and choose the appropriate macro:
249 @smallexample
250 Need            Macro:
251 ----            -------
252 use_operand_p   FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND
253 def_operand_p   FOR_EACH_SSA_DEF_OPERAND
254 tree            FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND
255 @end smallexample
257 @item You need to declare a variable of the type you are interested
258 in, and an ssa_op_iter structure which serves as the loop controlling
259 variable.
261 @item Determine which operands you wish to use, and specify the flags of
262 those you are interested in.  They are documented in
263 @file{tree-ssa-operands.h}:
265 @smallexample
266 #define SSA_OP_USE              0x01    /* @r{Real USE operands.}  */
267 #define SSA_OP_DEF              0x02    /* @r{Real DEF operands.}  */
268 #define SSA_OP_VUSE             0x04    /* @r{VUSE operands.}  */
269 #define SSA_OP_VMAYUSE          0x08    /* @r{USE portion of VDEFS.}  */
270 #define SSA_OP_VDEF             0x10    /* @r{DEF portion of VDEFS.}  */
272 /* @r{These are commonly grouped operand flags.}  */
273 #define SSA_OP_VIRTUAL_USES     (SSA_OP_VUSE | SSA_OP_VMAYUSE)
274 #define SSA_OP_VIRTUAL_DEFS     (SSA_OP_VDEF)
275 #define SSA_OP_ALL_USES         (SSA_OP_VIRTUAL_USES | SSA_OP_USE)
276 #define SSA_OP_ALL_DEFS         (SSA_OP_VIRTUAL_DEFS | SSA_OP_DEF)
277 #define SSA_OP_ALL_OPERANDS     (SSA_OP_ALL_USES | SSA_OP_ALL_DEFS)
278 @end smallexample
279 @end enumerate
281 So if you want to look at the use pointers for all the @code{USE} and
282 @code{VUSE} operands, you would do something like:
284 @smallexample
285   use_operand_p use_p;
286   ssa_op_iter iter;
288   FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND (use_p, stmt, iter, (SSA_OP_USE | SSA_OP_VUSE))
289     @{
290       process_use_ptr (use_p);
291     @}
292 @end smallexample
294 The @code{TREE} macro is basically the same as the @code{USE} and
295 @code{DEF} macros, only with the use or def dereferenced via
296 @code{USE_FROM_PTR (use_p)} and @code{DEF_FROM_PTR (def_p)}.  Since we
297 aren't using operand pointers, use and defs flags can be mixed.
299 @smallexample
300   tree var;
301   ssa_op_iter iter;
303   FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND (var, stmt, iter, SSA_OP_VUSE)
304     @{
305        print_generic_expr (stderr, var, TDF_SLIM);
306     @}
307 @end smallexample
309 @code{VDEF}s are broken into two flags, one for the
310 @code{DEF} portion (@code{SSA_OP_VDEF}) and one for the USE portion
311 (@code{SSA_OP_VMAYUSE}).  If all you want to look at are the
312 @code{VDEF}s together, there is a fourth iterator macro for this,
313 which returns both a def_operand_p and a use_operand_p for each
314 @code{VDEF} in the statement.  Note that you don't need any flags for
315 this one.
317 @smallexample
318   use_operand_p use_p;
319   def_operand_p def_p;
320   ssa_op_iter iter;
322   FOR_EACH_SSA_MAYDEF_OPERAND (def_p, use_p, stmt, iter)
323     @{
324       my_code;
325     @}
326 @end smallexample
328 There are many examples in the code as well, as well as the
329 documentation in @file{tree-ssa-operands.h}.
331 There are also a couple of variants on the stmt iterators regarding PHI
332 nodes.
334 @code{FOR_EACH_PHI_ARG} Works exactly like
335 @code{FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND}, except it works over @code{PHI} arguments
336 instead of statement operands.
338 @smallexample
339 /* Look at every virtual PHI use.  */
340 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_VIRTUAL_USES)
342    my_code;
345 /* Look at every real PHI use.  */
346 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_USES)
347   my_code;
349 /* Look at every PHI use.  */
350 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_ALL_USES)
351   my_code;
352 @end smallexample
354 @code{FOR_EACH_PHI_OR_STMT_@{USE,DEF@}} works exactly like
355 @code{FOR_EACH_SSA_@{USE,DEF@}_OPERAND}, except it will function on
356 either a statement or a @code{PHI} node.  These should be used when it is
357 appropriate but they are not quite as efficient as the individual
358 @code{FOR_EACH_PHI} and @code{FOR_EACH_SSA} routines.
360 @smallexample
361 FOR_EACH_PHI_OR_STMT_USE (use_operand_p, stmt, iter, flags)
362   @{
363      my_code;
364   @}
366 FOR_EACH_PHI_OR_STMT_DEF (def_operand_p, phi, iter, flags)
367   @{
368      my_code;
369   @}
370 @end smallexample
372 @subsection Immediate Uses
373 @cindex Immediate Uses
375 Immediate use information is now always available.  Using the immediate use
376 iterators, you may examine every use of any @code{SSA_NAME}. For instance,
377 to change each use of @code{ssa_var} to @code{ssa_var2} and call fold_stmt on
378 each stmt after that is done:
380 @smallexample
381   use_operand_p imm_use_p;
382   imm_use_iterator iterator;
383   tree ssa_var, stmt;
386   FOR_EACH_IMM_USE_STMT (stmt, iterator, ssa_var)
387     @{
388       FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT (imm_use_p, iterator)
389         SET_USE (imm_use_p, ssa_var_2);
390       fold_stmt (stmt);
391     @}
392 @end smallexample
394 There are 2 iterators which can be used. @code{FOR_EACH_IMM_USE_FAST} is
395 used when the immediate uses are not changed, i.e., you are looking at the
396 uses, but not setting them.
398 If they do get changed, then care must be taken that things are not changed
399 under the iterators, so use the @code{FOR_EACH_IMM_USE_STMT} and
400 @code{FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT} iterators.  They attempt to preserve the
401 sanity of the use list by moving all the uses for a statement into
402 a controlled position, and then iterating over those uses.  Then the
403 optimization can manipulate the stmt when all the uses have been
404 processed.  This is a little slower than the FAST version since it adds a
405 placeholder element and must sort through the list a bit for each statement.
406 This placeholder element must be also be removed if the loop is
407 terminated early.  The macro @code{BREAK_FROM_IMM_USE_SAFE} is provided
408 to do this :
410 @smallexample
411   FOR_EACH_IMM_USE_STMT (stmt, iterator, ssa_var)
412     @{
413       if (stmt == last_stmt)
414         BREAK_FROM_SAFE_IMM_USE (iter);
416       FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT (imm_use_p, iterator)
417         SET_USE (imm_use_p, ssa_var_2);
418       fold_stmt (stmt);
419     @}
420 @end smallexample
422 There are checks in @code{verify_ssa} which verify that the immediate use list
423 is up to date, as well as checking that an optimization didn't break from the
424 loop without using this macro.  It is safe to simply 'break'; from a
425 @code{FOR_EACH_IMM_USE_FAST} traverse.
427 Some useful functions and macros:
428 @enumerate
429 @item  @code{has_zero_uses (ssa_var)} : Returns true if there are no uses of
430 @code{ssa_var}.
431 @item   @code{has_single_use (ssa_var)} : Returns true if there is only a
432 single use of @code{ssa_var}.
433 @item   @code{single_imm_use (ssa_var, use_operand_p *ptr, tree *stmt)} :
434 Returns true if there is only a single use of @code{ssa_var}, and also returns
435 the use pointer and statement it occurs in, in the second and third parameters.
436 @item   @code{num_imm_uses (ssa_var)} : Returns the number of immediate uses of
437 @code{ssa_var}. It is better not to use this if possible since it simply
438 utilizes a loop to count the uses.
439 @item  @code{PHI_ARG_INDEX_FROM_USE (use_p)} : Given a use within a @code{PHI}
440 node, return the index number for the use.  An assert is triggered if the use
441 isn't located in a @code{PHI} node.
442 @item  @code{USE_STMT (use_p)} : Return the statement a use occurs in.
443 @end enumerate
445 Note that uses are not put into an immediate use list until their statement is
446 actually inserted into the instruction stream via a @code{bsi_*} routine.
448 It is also still possible to utilize lazy updating of statements, but this
449 should be used only when absolutely required.  Both alias analysis and the
450 dominator optimizations currently do this.
452 When lazy updating is being used, the immediate use information is out of date
453 and cannot be used reliably.  Lazy updating is achieved by simply marking
454 statements modified via calls to @code{mark_stmt_modified} instead of
455 @code{update_stmt}.  When lazy updating is no longer required, all the
456 modified statements must have @code{update_stmt} called in order to bring them
457 up to date.  This must be done before the optimization is finished, or
458 @code{verify_ssa} will trigger an abort.
460 This is done with a simple loop over the instruction stream:
461 @smallexample
462   block_stmt_iterator bsi;
463   basic_block bb;
464   FOR_EACH_BB (bb)
465     @{
466       for (bsi = bsi_start (bb); !bsi_end_p (bsi); bsi_next (&bsi))
467         update_stmt_if_modified (bsi_stmt (bsi));
468     @}
469 @end smallexample
471 @node SSA
472 @section Static Single Assignment
473 @cindex SSA
474 @cindex static single assignment
476 Most of the tree optimizers rely on the data flow information provided
477 by the Static Single Assignment (SSA) form.  We implement the SSA form
478 as described in @cite{R. Cytron, J. Ferrante, B. Rosen, M. Wegman, and
479 K. Zadeck.  Efficiently Computing Static Single Assignment Form and the
480 Control Dependence Graph.  ACM Transactions on Programming Languages
481 and Systems, 13(4):451-490, October 1991}.
483 The SSA form is based on the premise that program variables are
484 assigned in exactly one location in the program.  Multiple assignments
485 to the same variable create new versions of that variable.  Naturally,
486 actual programs are seldom in SSA form initially because variables
487 tend to be assigned multiple times.  The compiler modifies the program
488 representation so that every time a variable is assigned in the code,
489 a new version of the variable is created.  Different versions of the
490 same variable are distinguished by subscripting the variable name with
491 its version number.  Variables used in the right-hand side of
492 expressions are renamed so that their version number matches that of
493 the most recent assignment.
495 We represent variable versions using @code{SSA_NAME} nodes.  The
496 renaming process in @file{tree-ssa.c} wraps every real and
497 virtual operand with an @code{SSA_NAME} node which contains
498 the version number and the statement that created the
499 @code{SSA_NAME}.  Only definitions and virtual definitions may
500 create new @code{SSA_NAME} nodes.
502 @cindex PHI nodes
503 Sometimes, flow of control makes it impossible to determine the
504 most recent version of a variable.  In these cases, the compiler
505 inserts an artificial definition for that variable called
506 @dfn{PHI function} or @dfn{PHI node}.  This new definition merges
507 all the incoming versions of the variable to create a new name
508 for it.  For instance,
510 @smallexample
511 if (@dots{})
512   a_1 = 5;
513 else if (@dots{})
514   a_2 = 2;
515 else
516   a_3 = 13;
518 # a_4 = PHI <a_1, a_2, a_3>
519 return a_4;
520 @end smallexample
522 Since it is not possible to determine which of the three branches
523 will be taken at runtime, we don't know which of @code{a_1},
524 @code{a_2} or @code{a_3} to use at the return statement.  So, the
525 SSA renamer creates a new version @code{a_4} which is assigned
526 the result of ``merging'' @code{a_1}, @code{a_2} and @code{a_3}.
527 Hence, PHI nodes mean ``one of these operands.  I don't know
528 which''.
530 The following macros can be used to examine PHI nodes
532 @defmac PHI_RESULT (@var{phi})
533 Returns the @code{SSA_NAME} created by PHI node @var{phi} (i.e.,
534 @var{phi}'s LHS)@.
535 @end defmac
537 @defmac PHI_NUM_ARGS (@var{phi})
538 Returns the number of arguments in @var{phi}.  This number is exactly
539 the number of incoming edges to the basic block holding @var{phi}@.
540 @end defmac
542 @defmac PHI_ARG_ELT (@var{phi}, @var{i})
543 Returns a tuple representing the @var{i}th argument of @var{phi}@.
544 Each element of this tuple contains an @code{SSA_NAME} @var{var} and
545 the incoming edge through which @var{var} flows.
546 @end defmac
548 @defmac PHI_ARG_EDGE (@var{phi}, @var{i})
549 Returns the incoming edge for the @var{i}th argument of @var{phi}.
550 @end defmac
552 @defmac PHI_ARG_DEF (@var{phi}, @var{i})
553 Returns the @code{SSA_NAME} for the @var{i}th argument of @var{phi}.
554 @end defmac
557 @subsection Preserving the SSA form
558 @findex update_ssa
559 @cindex preserving SSA form
560 Some optimization passes make changes to the function that
561 invalidate the SSA property.  This can happen when a pass has
562 added new symbols or changed the program so that variables that
563 were previously aliased aren't anymore.  Whenever something like this
564 happens, the affected symbols must be renamed into SSA form again.
565 Transformations that emit new code or replicate existing statements
566 will also need to update the SSA form@.
568 Since GCC implements two different SSA forms for register and virtual
569 variables, keeping the SSA form up to date depends on whether you are
570 updating register or virtual names.  In both cases, the general idea
571 behind incremental SSA updates is similar: when new SSA names are
572 created, they typically are meant to replace other existing names in
573 the program@.
575 For instance, given the following code:
577 @smallexample
578      1  L0:
579      2  x_1 = PHI (0, x_5)
580      3  if (x_1 < 10)
581      4    if (x_1 > 7)
582      5      y_2 = 0
583      6    else
584      7      y_3 = x_1 + x_7
585      8    endif
586      9    x_5 = x_1 + 1
587      10   goto L0;
588      11 endif
589 @end smallexample
591 Suppose that we insert new names @code{x_10} and @code{x_11} (lines
592 @code{4} and @code{8})@.
594 @smallexample
595      1  L0:
596      2  x_1 = PHI (0, x_5)
597      3  if (x_1 < 10)
598      4    x_10 = @dots{}
599      5    if (x_1 > 7)
600      6      y_2 = 0
601      7    else
602      8      x_11 = @dots{}
603      9      y_3 = x_1 + x_7
604      10   endif
605      11   x_5 = x_1 + 1
606      12   goto L0;
607      13 endif
608 @end smallexample
610 We want to replace all the uses of @code{x_1} with the new definitions
611 of @code{x_10} and @code{x_11}.  Note that the only uses that should
612 be replaced are those at lines @code{5}, @code{9} and @code{11}.
613 Also, the use of @code{x_7} at line @code{9} should @emph{not} be
614 replaced (this is why we cannot just mark symbol @code{x} for
615 renaming)@.
617 Additionally, we may need to insert a PHI node at line @code{11}
618 because that is a merge point for @code{x_10} and @code{x_11}.  So the
619 use of @code{x_1} at line @code{11} will be replaced with the new PHI
620 node.  The insertion of PHI nodes is optional.  They are not strictly
621 necessary to preserve the SSA form, and depending on what the caller
622 inserted, they may not even be useful for the optimizers@.
624 Updating the SSA form is a two step process.  First, the pass has to
625 identify which names need to be updated and/or which symbols need to
626 be renamed into SSA form for the first time.  When new names are
627 introduced to replace existing names in the program, the mapping
628 between the old and the new names are registered by calling
629 @code{register_new_name_mapping} (note that if your pass creates new
630 code by duplicating basic blocks, the call to @code{tree_duplicate_bb}
631 will set up the necessary mappings automatically).  On the other hand,
632 if your pass exposes a new symbol that should be put in SSA form for
633 the first time, the new symbol should be registered with
634 @code{mark_sym_for_renaming}.
636 After the replacement mappings have been registered and new symbols
637 marked for renaming, a call to @code{update_ssa} makes the registered
638 changes.  This can be done with an explicit call or by creating
639 @code{TODO} flags in the @code{tree_opt_pass} structure for your pass.
640 There are several @code{TODO} flags that control the behavior of
641 @code{update_ssa}:
643 @itemize @bullet
644 @item @code{TODO_update_ssa}.  Update the SSA form inserting PHI nodes
645 for newly exposed symbols and virtual names marked for updating.
646 When updating real names, only insert PHI nodes for a real name
647 @code{O_j} in blocks reached by all the new and old definitions for
648 @code{O_j}.  If the iterated dominance frontier for @code{O_j}
649 is not pruned, we may end up inserting PHI nodes in blocks that
650 have one or more edges with no incoming definition for
651 @code{O_j}.  This would lead to uninitialized warnings for
652 @code{O_j}'s symbol@.
654 @item @code{TODO_update_ssa_no_phi}.  Update the SSA form without
655 inserting any new PHI nodes at all.  This is used by passes that
656 have either inserted all the PHI nodes themselves or passes that
657 need only to patch use-def and def-def chains for virtuals
658 (e.g., DCE)@.
661 @item @code{TODO_update_ssa_full_phi}.  Insert PHI nodes everywhere
662 they are needed.  No pruning of the IDF is done.  This is used
663 by passes that need the PHI nodes for @code{O_j} even if it
664 means that some arguments will come from the default definition
665 of @code{O_j}'s symbol (e.g., @code{pass_linear_transform})@.
667 WARNING: If you need to use this flag, chances are that your
668 pass may be doing something wrong.  Inserting PHI nodes for an
669 old name where not all edges carry a new replacement may lead to
670 silent codegen errors or spurious uninitialized warnings@.
672 @item @code{TODO_update_ssa_only_virtuals}.  Passes that update the
673 SSA form on their own may want to delegate the updating of
674 virtual names to the generic updater.  Since FUD chains are
675 easier to maintain, this simplifies the work they need to do.
676 NOTE: If this flag is used, any OLD->NEW mappings for real names
677 are explicitly destroyed and only the symbols marked for
678 renaming are processed@.
679 @end itemize
681 @subsection Preserving the virtual SSA form
682 @cindex preserving virtual SSA form
684 The virtual SSA form is harder to preserve than the non-virtual SSA form
685 mainly because the set of virtual operands for a statement may change at
686 what some would consider unexpected times.  In general, statement
687 modifications should be bracketed between calls to
688 @code{push_stmt_changes} and @code{pop_stmt_changes}.  For example,
690 @smallexample
691     munge_stmt (tree stmt)
692     @{
693        push_stmt_changes (&stmt);
694        @dots{} rewrite STMT @dots{}
695        pop_stmt_changes (&stmt);
696     @}
697 @end smallexample
699 The call to @code{push_stmt_changes} saves the current state of the
700 statement operands and the call to @code{pop_stmt_changes} compares
701 the saved state with the current one and does the appropriate symbol
702 marking for the SSA renamer.
704 It is possible to modify several statements at a time, provided that
705 @code{push_stmt_changes} and @code{pop_stmt_changes} are called in
706 LIFO order, as when processing a stack of statements.
708 Additionally, if the pass discovers that it did not need to make
709 changes to the statement after calling @code{push_stmt_changes}, it
710 can simply discard the topmost change buffer by calling
711 @code{discard_stmt_changes}.  This will avoid the expensive operand
712 re-scan operation and the buffer comparison that determines if symbols
713 need to be marked for renaming.
715 @subsection Examining @code{SSA_NAME} nodes
716 @cindex examining SSA_NAMEs
718 The following macros can be used to examine @code{SSA_NAME} nodes
720 @defmac SSA_NAME_DEF_STMT (@var{var})
721 Returns the statement @var{s} that creates the @code{SSA_NAME}
722 @var{var}.  If @var{s} is an empty statement (i.e., @code{IS_EMPTY_STMT
723 (@var{s})} returns @code{true}), it means that the first reference to
724 this variable is a USE or a VUSE@.
725 @end defmac
727 @defmac SSA_NAME_VERSION (@var{var})
728 Returns the version number of the @code{SSA_NAME} object @var{var}.
729 @end defmac
732 @subsection Walking use-def chains
734 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_use_def_chains (@var{var}, @var{fn}, @var{data})
736 Walks use-def chains starting at the @code{SSA_NAME} node @var{var}.
737 Calls function @var{fn} at each reaching definition found.  Function
738 @var{FN} takes three arguments: @var{var}, its defining statement
739 (@var{def_stmt}) and a generic pointer to whatever state information
740 that @var{fn} may want to maintain (@var{data}).  Function @var{fn} is
741 able to stop the walk by returning @code{true}, otherwise in order to
742 continue the walk, @var{fn} should return @code{false}.
744 Note, that if @var{def_stmt} is a @code{PHI} node, the semantics are
745 slightly different.  For each argument @var{arg} of the PHI node, this
746 function will:
748 @enumerate
749 @item Walk the use-def chains for @var{arg}.
750 @item Call @code{FN (@var{arg}, @var{phi}, @var{data})}.
751 @end enumerate
753 Note how the first argument to @var{fn} is no longer the original
754 variable @var{var}, but the PHI argument currently being examined.
755 If @var{fn} wants to get at @var{var}, it should call
756 @code{PHI_RESULT} (@var{phi}).
757 @end deftypefn
759 @subsection Walking the dominator tree
761 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_dominator_tree (@var{walk_data}, @var{bb})
763 This function walks the dominator tree for the current CFG calling a
764 set of callback functions defined in @var{struct dom_walk_data} in
765 @file{domwalk.h}.  The call back functions you need to define give you
766 hooks to execute custom code at various points during traversal:
768 @enumerate
769 @item Once to initialize any local data needed while processing
770 @var{bb} and its children.  This local data is pushed into an
771 internal stack which is automatically pushed and popped as the
772 walker traverses the dominator tree.
774 @item Once before traversing all the statements in the @var{bb}.
776 @item Once for every statement inside @var{bb}.
778 @item Once after traversing all the statements and before recursing
779 into @var{bb}'s dominator children.
781 @item It then recurses into all the dominator children of @var{bb}.
783 @item After recursing into all the dominator children of @var{bb} it
784 can, optionally, traverse every statement in @var{bb} again
785 (i.e., repeating steps 2 and 3).
787 @item Once after walking the statements in @var{bb} and @var{bb}'s
788 dominator children.  At this stage, the block local data stack
789 is popped.
790 @end enumerate
791 @end deftypefn
793 @node Alias analysis
794 @section Alias analysis
795 @cindex alias
796 @cindex flow-sensitive alias analysis
797 @cindex flow-insensitive alias analysis
799 Alias analysis in GIMPLE SSA form consists of two pieces.  First
800 the virtual SSA web ties conflicting memory accesses and provides
801 a SSA use-def chain and SSA immediate-use chains for walking
802 possibly dependent memory accesses.  Second an alias-oracle can
803 be queried to disambiguate explicit and implicit memory references.
805 @enumerate
806 @item Memory SSA form.
808 All statements that may use memory have exactly one accompanied use of
809 a virtual SSA name that represents the state of memory at the
810 given point in the IL.
812 All statements that may define memory have exactly one accompanied
813 definition of a virtual SSA name using the previous state of memory
814 and defining the new state of memory after the given point in the IL.
816 @smallexample
817 int i;
818 int foo (void)
820   # .MEM_3 = VDEF <.MEM_2(D)>
821   i = 1;
822   # VUSE <.MEM_3>
823   return i;
825 @end smallexample
827 The virtual SSA names in this case are @code{.MEM_2(D)} and
828 @code{.MEM_3}.  The store to the global variable @code{i}
829 defines @code{.MEM_3} invalidating @code{.MEM_2(D)}.  The
830 load from @code{i} uses that new state @code{.MEM_3}.
832 The virtual SSA web serves as constraints to SSA optimizers
833 preventing illegitimate code-motion and optimization.  It
834 also provides a way to walk related memory statements.
836 @item Points-to and escape analysis.
838 Points-to analysis builds a set of constraints from the GIMPLE
839 SSA IL representing all pointer operations and facts we do
840 or do not know about pointers.  Solving this set of constraints
841 yields a conservatively correct solution for each pointer
842 variable in the program (though we are only interested in
843 SSA name pointers) as to what it may possibly point to.
845 This points-to solution for a given SSA name pointer is stored
846 in the @code{pt_solution} sub-structure of the
847 @code{SSA_NAME_PTR_INFO} record.  The following accessor
848 functions are available:
850 @itemize @bullet
851 @item @code{pt_solution_includes}
852 @item @code{pt_solutions_intersect}
853 @end itemize
855 Points-to analysis also computes the solution for two special
856 set of pointers, @code{ESCAPED} and @code{CALLUSED}.  Those
857 represent all memory that has escaped the scope of analysis
858 or that is used by pure or nested const calls.
860 @item Type-based alias analysis
862 Type-based alias analysis is frontend dependent though generic
863 support is provided by the middle-end in @code{alias.c}.  TBAA
864 code is used by both tree optimizers and RTL optimizers.
866 Every language that wishes to perform language-specific alias analysis
867 should define a function that computes, given a @code{tree}
868 node, an alias set for the node.  Nodes in different alias sets are not
869 allowed to alias.  For an example, see the C front-end function
870 @code{c_get_alias_set}.
872 @item Tree alias-oracle
874 The tree alias-oracle provides means to disambiguate two memory
875 references and memory references against statements.  The following
876 queries are available:
878 @itemize @bullet
879 @item @code{refs_may_alias_p}
880 @item @code{ref_maybe_used_by_stmt_p}
881 @item @code{stmt_may_clobber_ref_p}
882 @end itemize
884 In addition to those two kind of statement walkers are available
885 walking statements related to a reference ref.
886 @code{walk_non_aliased_vuses} walks over dominating memory defining
887 statements and calls back if the statement does not clobber ref
888 providing the non-aliased VUSE.  The walk stops at
889 the first clobbering statement or if asked to.
890 @code{walk_aliased_vdefs} walks over dominating memory defining
891 statements and calls back on each statement clobbering ref
892 providing its aliasing VDEF.  The walk stops if asked to.
894 @end enumerate
897 @node Memory model
898 @section Memory model
899 @cindex memory model
901 The memory model used by the middle-end models that of the C/C++
902 languages.  The middle-end has the notion of an effective type
903 of a memory region which is used for type-based alias analysis.
905 The following is a refinement of ISO C99 6.5/6, clarifying the block copy case
906 to follow common sense and extending the concept of a dynamic effective
907 type to objects with a declared type as required for C++.
909 @smallexample
910 The effective type of an object for an access to its stored value is
911 the declared type of the object or the effective type determined by
912 a previous store to it.  If a value is stored into an object through
913 an lvalue having a type that is not a character type, then the
914 type of the lvalue becomes the effective type of the object for that
915 access and for subsequent accesses that do not modify the stored value.
916 If a value is copied into an object using @code{memcpy} or @code{memmove},
917 or is copied as an array of character type, then the effective type
918 of the modified object for that access and for subsequent accesses that
919 do not modify the value is undetermined.  For all other accesses to an
920 object, the effective type of the object is simply the type of the
921 lvalue used for the access.
922 @end smallexample