ada: Fix spurious -Wstringop-overflow with link time optimization
[official-gcc.git] / gcc / doc / passes.texi
blob470ac498a132830d6e9dc9c27a80ebff8a920e67
1 @c markers: BUG TODO
3 @c Copyright (C) 1988-2023 Free Software Foundation, Inc.
4 @c This is part of the GCC manual.
5 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
7 @node Passes
8 @chapter Passes and Files of the Compiler
9 @cindex passes and files of the compiler
10 @cindex files and passes of the compiler
11 @cindex compiler passes and files
12 @cindex pass dumps
14 This chapter is dedicated to giving an overview of the optimization and
15 code generation passes of the compiler.  In the process, it describes
16 some of the language front end interface, though this description is no
17 where near complete.
19 @menu
20 * Parsing pass::         The language front end turns text into bits.
21 * Gimplification pass::  The bits are turned into something we can optimize.
22 * Pass manager::         Sequencing the optimization passes.
23 * IPA passes::           Inter-procedural optimizations.
24 * Tree SSA passes::      Optimizations on a high-level representation.
25 * RTL passes::           Optimizations on a low-level representation.
26 * Optimization info::    Dumping optimization information from passes.
27 @end menu
29 @node Parsing pass
30 @section Parsing pass
31 @cindex GENERIC
32 @findex lang_hooks.parse_file
33 The language front end is invoked only once, via
34 @code{lang_hooks.parse_file}, to parse the entire input.  The language
35 front end may use any intermediate language representation deemed
36 appropriate.  The C front end uses GENERIC trees (@pxref{GENERIC}), plus
37 a double handful of language specific tree codes defined in
38 @file{c-common.def}.  The Fortran front end uses a completely different
39 private representation.
41 @cindex GIMPLE
42 @cindex gimplification
43 @cindex gimplifier
44 @cindex language-independent intermediate representation
45 @cindex intermediate representation lowering
46 @cindex lowering, language-dependent intermediate representation
47 At some point the front end must translate the representation used in the
48 front end to a representation understood by the language-independent
49 portions of the compiler.  Current practice takes one of two forms.
50 The C front end manually invokes the gimplifier (@pxref{GIMPLE}) on each function,
51 and uses the gimplifier callbacks to convert the language-specific tree
52 nodes directly to GIMPLE before passing the function off to be compiled.
53 The Fortran front end converts from a private representation to GENERIC,
54 which is later lowered to GIMPLE when the function is compiled.  Which
55 route to choose probably depends on how well GENERIC (plus extensions)
56 can be made to match up with the source language and necessary parsing
57 data structures.
59 BUG: Gimplification must occur before nested function lowering,
60 and nested function lowering must be done by the front end before
61 passing the data off to cgraph.
63 TODO: Cgraph should control nested function lowering.  It would
64 only be invoked when it is certain that the outer-most function
65 is used.
67 TODO: Cgraph needs a gimplify_function callback.  It should be
68 invoked when (1) it is certain that the function is used, (2)
69 warning flags specified by the user require some amount of
70 compilation in order to honor, (3) the language indicates that
71 semantic analysis is not complete until gimplification occurs.
72 Hum@dots{} this sounds overly complicated.  Perhaps we should just
73 have the front end gimplify always; in most cases it's only one
74 function call.
76 The front end needs to pass all function definitions and top level
77 declarations off to the middle-end so that they can be compiled and
78 emitted to the object file.  For a simple procedural language, it is
79 usually most convenient to do this as each top level declaration or
80 definition is seen.  There is also a distinction to be made between
81 generating functional code and generating complete debug information.
82 The only thing that is absolutely required for functional code is that
83 function and data @emph{definitions} be passed to the middle-end.  For
84 complete debug information, function, data and type declarations
85 should all be passed as well.
87 @findex rest_of_decl_compilation
88 @findex rest_of_type_compilation
89 @findex cgraph_finalize_function
90 In any case, the front end needs each complete top-level function or
91 data declaration, and each data definition should be passed to
92 @code{rest_of_decl_compilation}.  Each complete type definition should
93 be passed to @code{rest_of_type_compilation}.  Each function definition
94 should be passed to @code{cgraph_finalize_function}.
96 TODO: I know rest_of_compilation currently has all sorts of
97 RTL generation semantics.  I plan to move all code generation
98 bits (both Tree and RTL) to compile_function.  Should we hide
99 cgraph from the front ends and move back to rest_of_compilation
100 as the official interface?  Possibly we should rename all three
101 interfaces such that the names match in some meaningful way and
102 that is more descriptive than "rest_of".
104 The middle-end will, at its option, emit the function and data
105 definitions immediately or queue them for later processing.
107 @node Gimplification pass
108 @section Gimplification pass
110 @cindex gimplification
111 @cindex GIMPLE
112 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
113 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
114 (@pxref{GIMPLE}).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
115 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
116 section of code.
118 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
119 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
120 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
121 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
122 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
124 @findex gimplify_function_tree
125 @findex gimplify_expr
126 @findex lang_hooks.gimplify_expr
127 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
128 located in @file{gimplify.cc}.  From here we process the entire
129 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
130 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
131 passes through here at least once, and it is from here that we
132 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
134 The callback should examine the expression in question and return
135 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
136 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
137 expression in some way to such that forward progress is made toward
138 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
139 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
140 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
141 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
142 If the callback encounters an error during the transformation (because
143 the front end is relying on the gimplification process to finish
144 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
146 @node Pass manager
147 @section Pass manager
149 The pass manager is located in @file{passes.cc}, @file{tree-optimize.c}
150 and @file{tree-pass.h}.
151 It processes passes as described in @file{passes.def}.
152 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
153 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
155 The theory of operation is that each pass defines a structure that
156 represents everything we need to know about that pass---when it
157 should be run, how it should be run, what intermediate language
158 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
159 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
160 for everything to happen in the correct order.
162 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
163 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
164 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
165 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
166 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
167 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
169 Each pass should have a unique name.
170 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
171 Passes with a name starting with a star do not dump anything.
172 Sometimes passes are supposed to share a dump file / option name.
173 To still give these unique names, you can use a prefix that is delimited
174 by a space from the part that is used for the dump file / option name.
175 E.g. When the pass name is "ud dce", the name used for dump file/options
176 is "dce".
178 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
179 and a brief description of how a new pass should use it.
180 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
182 @node IPA passes
183 @section Inter-procedural optimization passes
184 @cindex IPA passes
185 @cindex inter-procedural optimization passes
187 The inter-procedural optimization (IPA) passes use call graph
188 information to perform transformations across function boundaries.
189 IPA is a critical part of link-time optimization (LTO) and
190 whole-program (WHOPR) optimization, and these passes are structured
191 with the needs of LTO and WHOPR in mind by dividing their operations
192 into stages.  For detailed discussion of the LTO/WHOPR IPA pass stages
193 and interfaces, see @ref{IPA}.
195 The following briefly describes the inter-procedural optimization (IPA)
196 passes, which are split into small IPA passes, regular IPA passes,
197 and late IPA passes, according to the LTO/WHOPR processing model.
199 @menu
200 * Small IPA passes::
201 * Regular IPA passes::
202 * Late IPA passes::
203 @end menu
205 @node Small IPA passes
206 @subsection Small IPA passes
207 @cindex small IPA passes
208 A small IPA pass is a pass derived from @code{simple_ipa_opt_pass}.
209 As described in @ref{IPA}, it does everything at once and 
210 defines only the @emph{Execute} stage.  During this
211 stage it accesses and modifies the function bodies.
212 No @code{generate_summary}, @code{read_summary}, or @code{write_summary}
213 hooks are defined.
215 @itemize @bullet
216 @item IPA free lang data
218 This pass frees resources that are used by the front end but are
219 not needed once it is done.  It is located in @file{tree.cc} and is described by
220 @code{pass_ipa_free_lang_data}.
222 @item IPA function and variable visibility
224 This is a local function pass handling visibilities of all symbols.  This
225 happens before LTO streaming, so @option{-fwhole-program} should be ignored
226 at this level.  It is located in @file{ipa-visibility.cc} and is described by
227 @code{pass_ipa_function_and_variable_visibility}.
229 @item IPA remove symbols
231 This pass performs reachability analysis and reclaims all unreachable nodes.
232 It is located in @file{passes.cc} and is described by
233 @code{pass_ipa_remove_symbols}.
235 @item IPA OpenACC
237 This is a pass group for OpenACC processing.  It is located in
238 @file{tree-ssa-loop.cc} and is described by @code{pass_ipa_oacc}.
240 @item IPA points-to analysis
242 This is a tree-based points-to analysis pass. The idea behind this analyzer
243 is to generate set constraints from the program, then solve the resulting
244 constraints in order to generate the points-to sets.  It is located in 
245 @file{tree-ssa-structalias.cc} and is described by @code{pass_ipa_pta}.
247 @item IPA OpenACC kernels
249 This is a pass group for processing OpenACC kernels regions.  It is a
250 subpass of the IPA OpenACC pass group that runs on offloaded functions
251 containing OpenACC kernels loops.  It is located in
252 @file{tree-ssa-loop.cc} and is described by
253 @code{pass_ipa_oacc_kernels}.
255 @item Target clone
257 This is a pass for parsing functions with multiple target attributes.
258 It is located in @file{multiple_target.cc} and is described by
259 @code{pass_target_clone}.
261 @item IPA auto profile
263 This pass uses AutoFDO profiling data to annotate the control flow graph.
264 It is located in @file{auto-profile.cc} and is described by
265 @code{pass_ipa_auto_profile}.
267 @item IPA tree profile
269 This pass does profiling for all functions in the call graph. 
270 It calculates branch
271 probabilities and basic block execution counts. It is located
272 in @file{tree-profile.cc} and is described by @code{pass_ipa_tree_profile}.
274 @item IPA free function summary
276 This pass is a small IPA pass when argument @code{small_p} is true.
277 It releases inline function summaries and call summaries.
278 It is located in @file{ipa-fnsummary.cc} and is described by
279 @code{pass_ipa_free_free_fn_summary}.
281 @item IPA increase alignment
283 This pass increases the alignment of global arrays to improve
284 vectorization. It is located in @file{tree-vectorizer.cc}
285 and is described by @code{pass_ipa_increase_alignment}.
287 @item IPA transactional memory
289 This pass is for transactional memory support.
290 It is located in @file{trans-mem.cc} and is described by
291 @code{pass_ipa_tm}.
293 @item IPA lower emulated TLS
295 This pass lowers thread-local storage (TLS) operations
296 to emulation functions provided by libgcc.
297 It is located in @file{tree-emutls.cc} and is described by
298 @code{pass_ipa_lower_emutls}.
300 @end itemize
302 @node Regular IPA passes
303 @subsection Regular IPA passes
304 @cindex regular IPA passes
306 A regular IPA pass is a pass derived from @code{ipa_opt_pass_d} that
307 is executed in WHOPR compilation. Regular IPA passes may have summary
308 hooks implemented in any of the LGEN, WPA or LTRANS stages (@pxref{IPA}).
310 @itemize @bullet
311 @item IPA whole program visibility
313 This pass performs various optimizations involving symbol visibility
314 with @option{-fwhole-program}, including symbol privatization,
315 discovering local functions, and dismantling comdat groups.  It is
316 located in @file{ipa-visibility.cc} and is described by
317 @code{pass_ipa_whole_program_visibility}.
319 @item IPA profile
321 The IPA profile pass propagates profiling frequencies across the call
322 graph.  It is located in @file{ipa-profile.cc} and is described by
323 @code{pass_ipa_profile}.
325 @item IPA identical code folding
327 This is the inter-procedural identical code folding pass.
328 The goal of this transformation is to discover functions
329 and read-only variables that have exactly the same semantics.  It is
330 located in @file{ipa-icf.cc} and is described by @code{pass_ipa_icf}.
332 @item IPA devirtualization
334 This pass performs speculative devirtualization based on the type
335 inheritance graph.  When a polymorphic call has only one likely target
336 in the unit, it is turned into a speculative call. It is located in
337 @file{ipa-devirt.cc} and is described by @code{pass_ipa_devirt}.
339 @item IPA constant propagation
341 The goal of this pass is to discover functions that are always invoked
342 with some arguments with the same known constant values and to modify
343 the functions accordingly.  It can also do partial specialization and
344 type-based devirtualization.  It is located in @file{ipa-cp.cc} and is
345 described by @code{pass_ipa_cp}.
347 @item IPA scalar replacement of aggregates
349 This pass can replace an aggregate parameter with a set of other parameters
350 representing part of the original, turning those passed by reference
351 into new ones which pass the value directly.  It also removes unused
352 function return values and unused function parameters.  This pass is
353 located in @file{ipa-sra.cc} and is described by @code{pass_ipa_sra}.
355 @item IPA constructor/destructor merge
357 This pass merges multiple constructors and destructors for static
358 objects into single functions.  It's only run at LTO time unless the
359 target doesn't support constructors and destructors natively.  The
360 pass is located in @file{ipa.cc} and is described by
361 @code{pass_ipa_cdtor_merge}.
363 @item IPA function summary
365 This pass provides function analysis for inter-procedural passes.
366 It collects estimates of function body size, execution time, and frame
367 size for each function.  It also estimates information about function
368 calls: call statement size, time and how often the parameters change
369 for each call.  It is located in @file{ipa-fnsummary.cc} and is
370 described by @code{pass_ipa_fn_summary}.
372 @item IPA inline
374 The IPA inline pass handles function inlining with whole-program
375 knowledge. Small functions that are candidates for inlining are
376 ordered in increasing badness, bounded by unit growth parameters.
377 Unreachable functions are removed from the call graph.  Functions called
378 once and not exported from the unit are inlined.  This pass is located in
379 @file{ipa-inline.cc} and is described by @code{pass_ipa_inline}.
381 @item IPA pure/const analysis
383 This pass marks functions as being either const (@code{TREE_READONLY}) or
384 pure (@code{DECL_PURE_P}).  The per-function information is produced
385 by @code{pure_const_generate_summary}, then the global information is computed
386 by performing a transitive closure over the call graph.   It is located in
387 @file{ipa-pure-const.cc} and is described by @code{pass_ipa_pure_const}.
389 @item IPA free function summary
391 This pass is a regular IPA pass when argument @code{small_p} is false.
392 It releases inline function summaries and call summaries.
393 It is located in @file{ipa-fnsummary.cc} and is described by
394 @code{pass_ipa_free_fn_summary}.
396 @item IPA reference
398 This pass gathers information about how variables whose scope is
399 confined to the compilation unit are used.  It is located in
400 @file{ipa-reference.cc} and is described by @code{pass_ipa_reference}.
402 @item IPA single use
404 This pass checks whether variables are used by a single function.
405 It is located in @file{ipa.cc} and is described by
406 @code{pass_ipa_single_use}.
408 @item IPA comdats
410 This pass looks for static symbols that are used exclusively
411 within one comdat group, and moves them into that comdat group. It is
412 located in @file{ipa-comdats.cc} and is described by
413 @code{pass_ipa_comdats}.
415 @end itemize
417 @node Late IPA passes
418 @subsection Late IPA passes
419 @cindex late IPA passes
421 Late IPA passes are simple IPA passes executed after
422 the regular passes.  In WHOPR mode the passes are executed after
423 partitioning and thus see just parts of the compiled unit.
425 @itemize @bullet
426 @item Materialize all clones
428 Once all functions from compilation unit are in memory, produce all clones
429 and update all calls.  It is located in @file{ipa.cc} and is described by
430 @code{pass_materialize_all_clones}.
432 @item IPA points-to analysis
434 Points-to analysis; this is the same as the points-to-analysis pass
435 run with the small IPA passes (@pxref{Small IPA passes}).
437 @item OpenMP simd clone
439 This is the OpenMP constructs' SIMD clone pass.  It creates the appropriate
440 SIMD clones for functions tagged as elemental SIMD functions.
441 It is located in @file{omp-simd-clone.cc} and is described by
442 @code{pass_omp_simd_clone}.
444 @end itemize
446 @node Tree SSA passes
447 @section Tree SSA passes
449 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
450 run after gimplification and what source files they are located in.
452 @itemize @bullet
453 @item Remove useless statements
455 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
456 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
457 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
458 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
459 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
460 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
461 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
462 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.cc} and described by
463 @code{pass_remove_useless_stmts}.
465 @item OpenMP lowering
467 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
468 OpenMP constructs into GIMPLE.
470 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
471 expressions for local variables that have been mapped using data
472 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
473 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
474 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.cc} and is
475 described by @code{pass_lower_omp}.
477 @item OpenMP expansion
479 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
480 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
481 library.  The pass is located in @file{omp-low.cc} and is described by
482 @code{pass_expand_omp}.
484 @item Lower control flow
486 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
487 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
488 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
489 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
490 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
491 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
492 pass is found in @file{gimple-low.cc} and is described by
493 @code{pass_lower_cf}.
495 @item Lower exception handling control flow
497 This pass decomposes high-level exception handling constructs
498 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
499 that explicitly represents the control flow involved.  After this
500 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
501 number for any statement that may have EH control flow semantics;
502 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
503 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
504 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
505 in @file{except.h} and built in @file{except.cc}.  The lowering pass
506 itself is in @file{tree-eh.cc} and is described by @code{pass_lower_eh}.
508 @item Build the control flow graph
510 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
511 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.cc} and
512 is described by @code{pass_build_cfg}.
514 @item Find all referenced variables
516 This pass walks the entire function and collects an array of all
517 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
518 index at which a variable is found in the array is used as a UID
519 for the variable within this function.  This data is needed by the
520 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.cc}
521 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
523 @item Enter static single assignment form
525 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
526 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
527 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
528 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
529 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
530 located in @file{tree-ssa.cc} and is described by @code{pass_build_ssa}.
532 @item Warn for uninitialized variables
534 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
535 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
536 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
537 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
538 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
539 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.cc}
540 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
541 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
543 @item Dead code elimination
545 This pass scans the function for statements without side effects whose
546 result is unused.  It does not do memory lifetime analysis, so any value
547 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
548 times throughout the optimization process.  It is located in
549 @file{tree-ssa-dce.cc} and is described by @code{pass_dce}.
551 @item Dominator optimizations
553 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
554 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
555 throughout the optimization process.  It is located in @file{tree-ssa-dom.cc}
556 and is described by @code{pass_dominator}.
558 @item Forward propagation of single-use variables
560 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
561 variables that are used once into the expression that uses them and
562 seeing if the result can be simplified.  It is located in
563 @file{tree-ssa-forwprop.cc} and is described by @code{pass_forwprop}.
565 @item Copy Renaming
567 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
568 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
569 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
570 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
571 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
572 @code{pass_copyrename}.
574 @item PHI node optimizations
576 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
577 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
578 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.cc} and is described by
579 @code{pass_phiopt}.
581 @item May-alias optimization
583 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
584 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
585 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
586 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
587 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
588 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
589 in @file{tree-ssa-alias.cc} and is described by @code{pass_may_alias}.
591 Interprocedural points-to information is located in
592 @file{tree-ssa-structalias.cc} and described by @code{pass_ipa_pta}.
594 @item Profiling
596 This pass instruments the function in order to collect runtime block
597 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
598 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
599 execution frequencies.  The pass is located in @file{tree-profile.cc} and
600 is described by @code{pass_ipa_tree_profile}.
602 @item Static profile estimation
604 This pass implements series of heuristics to guess propababilities
605 of branches.  The resulting predictions are turned into edge profile
606 by propagating branches across the control flow graphs.
607 The pass is located in @file{tree-profile.cc} and is described by
608 @code{pass_profile}.
610 @item Lower complex arithmetic
612 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
613 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.cc}
614 and is described by @code{pass_lower_complex}.
616 @item Scalar replacement of aggregates
618 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
619 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
620 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
621 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
622 @file{tree-sra.cc} and is described by @code{pass_sra}.
624 @item Dead store elimination
626 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
627 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
628 in @file{tree-ssa-dse.cc} and is described by @code{pass_dse}.
630 @item Tail recursion elimination
632 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
633 @file{tree-tailcall.cc} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
635 @item Forward store motion
637 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
638 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.cc} and is
639 described by @code{pass_sink_code}.
641 @item Partial redundancy elimination
643 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
644 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.cc}
645 and is described by @code{pass_pre}.
647 Just before partial redundancy elimination, if
648 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
649 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
650 in @file{tree-ssa-math-opts.cc} and is described by
651 @code{pass_cse_reciprocal}.
653 @item Full redundancy elimination
655 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
656 occur on all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.cc} and
657 described by @code{pass_fre}.
659 @item Loop optimization
661 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.cc}
662 and described by @code{pass_loop}.
664 The optimizations performed by this pass are:
666 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
667 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
668 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
669 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
670 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
671 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.cc}.
673 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
674 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
675 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
676 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
677 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.cc}.
679 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
680 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
681 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
682 @file{tree-ssa-loop-ivopts.cc}.
684 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
685 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
686 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
687 @file{tree-ssa-loop-unswitch.cc}.
689 Loop splitting.  If a loop contains a conditional statement that is
690 always true for one part of the iteration space and false for the other
691 this pass splits the loop into two, one dealing with one side the other
692 only with the other, thereby removing one inner-loop conditional.  The
693 pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-split.cc}.
695 The optimizations also use various utility functions contained in
696 @file{tree-ssa-loop-manip.cc}, @file{cfgloop.cc}, @file{cfgloopanal.cc} and
697 @file{cfgloopmanip.cc}.
699 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
700 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
701 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate
702 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is
703 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
704 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the
705 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
706 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
707 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the
708 loop.
709 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.cc} (the main driver),
710 @file{tree-vect-loop.cc} and @file{tree-vect-loop-manip.cc} (loop specific parts
711 and general loop utilities), @file{tree-vect-slp} (loop-aware SLP
712 functionality), @file{tree-vect-stmts.cc}, @file{tree-vect-data-refs.cc} and
713 @file{tree-vect-slp-patterns.cc} containing the SLP pattern matcher.
714 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.cc}.
716 SLP Vectorization.  This pass performs vectorization of straight-line code. The
717 pass is implemented in @file{tree-vectorizer.cc} (the main driver),
718 @file{tree-vect-slp.cc}, @file{tree-vect-stmts.cc} and
719 @file{tree-vect-data-refs.cc}.
721 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
722 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.cc}.
724 Graphite is a loop transformation framework based on the polyhedral
725 model.  Graphite stands for Gimple Represented as Polyhedra.  The
726 internals of this infrastructure are documented in
727 @w{@uref{https://gcc.gnu.org/wiki/Graphite}}.  The passes working on
728 this representation are implemented in the various @file{graphite-*}
729 files.
731 @item Tree level if-conversion for vectorizer
733 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
734 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
735 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
736 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
737 and available vector operations.  This pass is located in
738 @file{tree-if-conv.cc} and is described by @code{pass_if_conversion}.
740 @item Conditional constant propagation
742 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
743 that must be constant even in the presence of conditional branches.
744 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.cc} and is described
745 by @code{pass_ccp}.
747 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
748 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.cc} and described by
749 @code{pass_store_ccp}.
751 @item Conditional copy propagation
753 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
754 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
755 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.cc} and described by
756 @code{pass_copy_prop}.
758 A related pass that works on memory copies, and not just register
759 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.cc} and described by
760 @code{pass_store_copy_prop}.
762 @item Value range propagation
764 This transformation is similar to constant propagation but
765 instead of propagating single constant values, it propagates
766 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
767 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
768 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
769 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
770 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
771 range per SSA name. This means that the current implementation
772 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
773 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.cc} and is
774 described by @code{pass_vrp}.
776 @item Folding built-in functions
778 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
779 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
780 @file{tree-ssa-ccp.cc} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
782 @item Split critical edges
784 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
785 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
786 @file{tree-cfg.cc} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
788 @item Control dependence dead code elimination
790 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
791 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
792 in @file{tree-ssa-dce.cc} and is described by @code{pass_cd_dce}.
794 @item Tail call elimination
796 This pass identifies function calls that may be rewritten into
797 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
798 data and control flow problem is solved.  The code transformation
799 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
800 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
801 The pass is located in @file{tree-tailcall.cc} and is described by
802 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
803 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.cc}.
805 @item Warn for function return without value
807 For non-void functions, this pass locates return statements that do
808 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
809 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
810 run last so that we have as much time as possible to prove that the
811 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.cc} and
812 is described by @code{pass_warn_function_return}.
814 @item Leave static single assignment form
816 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
817 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
818 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
819 pass is located in @file{tree-outof-ssa.cc} and is described by
820 @code{pass_del_ssa}.
822 @item Merge PHI nodes that feed into one another
824 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
825 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
826 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.cc} and is described by
827 @code{pass_merge_phi}.
829 @item Return value optimization
831 If a function always returns the same local variable, and that local
832 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
833 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
834 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
835 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.cc} and is described by
836 @code{pass_nrv}.
838 @item Return slot optimization
840 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
841 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
842 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
843 pass is located in @code{tree-nrv.cc} and is described by
844 @code{pass_return_slot}.
846 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size} or
847 @code{__builtin_dynamic_object_size}
849 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls to
850 @code{__builtin_object_size} when the upper or lower bound for the size
851 of the object can be computed at compile-time.  It also tries to replace
852 calls to @code{__builtin_dynamic_object_size} with an expression that
853 evaluates the upper or lower bound for the size of the object.  This
854 pass is located in @file{tree-object-size.cc} and is described by
855 @code{pass_object_sizes}.
857 @item Loop invariant motion
859 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
860 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.cc} and described by
861 @code{pass_lim}.
863 @item Loop nest optimizations
865 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
866 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
867 all geared to the optimization of data locality in array traversals
868 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
869 parallelization and vectorization.  The pass is located in
870 @file{tree-loop-linear.c} and described by
871 @code{pass_linear_transform}.
873 @item Removal of empty loops
875 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
876 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.cc} and described by
877 @code{pass_empty_loop}.
879 @item Unrolling of small loops
881 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
882 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.cc} and described by
883 @code{pass_complete_unroll}.
885 @item Predictive commoning
887 This pass makes the code reuse the computations from the previous
888 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
889 It does so by storing the values of these computations to a bank
890 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
891 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
892 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
893 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.cc}
894 and described by @code{pass_predcom}.
896 @item Array prefetching
898 This pass issues prefetch instructions for array references inside
899 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.cc} and
900 described by @code{pass_loop_prefetch}.
902 @item Reassociation
904 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
905 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
906 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.cc} and described by
907 @code{pass_reassoc}.
909 @item Optimization of @code{stdarg} functions
911 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
912 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
913 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
914 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
915 escape the function, it is only necessary to save registers that will
916 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
917 only used with integral types in the function, floating point
918 registers don't need to be saved.  This pass is located in
919 @code{tree-stdarg.cc} and described by @code{pass_stdarg}.
921 @end itemize
923 @node RTL passes
924 @section RTL passes
926 The following briefly describes the RTL generation and optimization
927 passes that are run after the Tree optimization passes.
929 @itemize @bullet
930 @item RTL generation
932 @c Avoiding overfull is tricky here.
933 The source files for RTL generation include
934 @file{stmt.cc},
935 @file{calls.cc},
936 @file{expr.cc},
937 @file{explow.cc},
938 @file{expmed.cc},
939 @file{function.cc},
940 @file{optabs.cc}
941 and @file{emit-rtl.cc}.
942 Also, the file
943 @file{insn-emit.cc}, generated from the machine description by the
944 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
945 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
947 @findex genflags
948 @findex gencodes
949 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
950 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
951 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
952 for use and which patterns correspond to them.
954 @item Generation of exception landing pads
956 This pass generates the glue that handles communication between the
957 exception handling library routines and the exception handlers within
958 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
959 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
960 for this pass is located in @file{except.cc}.
962 @item Control flow graph cleanup
964 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
965 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
966 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
967 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
968 @file{cfgcleanup.cc}, and there are support routines in @file{cfgrtl.cc}
969 and @file{jump.cc}.
971 @item Forward propagation of single-def values
973 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
974 variables that come from a single definition, and
975 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
976 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
977 being propagated into loops only on the second run.  The code is
978 located in @file{fwprop.cc}.
980 @item Common subexpression elimination
982 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
983 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
984 The code for this pass is located in @file{cse.cc}.
986 @item Global common subexpression elimination
988 This pass performs two
989 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
990 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
991 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
992 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
993 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
994 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
995 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
996 well as load motion.
997 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
998 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
999 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
1000 and store motion when optimizing for speed.
1001 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
1002 global constant and  copy propagation.
1003 The source file for this pass is @file{gcse.cc}, and the LCM routines
1004 are in @file{lcm.cc}.
1006 @item Loop optimization
1008 This pass performs several loop related optimizations.
1009 The source files @file{cfgloopanal.cc} and @file{cfgloopmanip.cc} contain
1010 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
1011 of loop structures is handled by @file{loop-init.cc}.
1012 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.cc}.
1013 Basic block level optimizations---unrolling, and peeling loops---
1014 are implemented in @file{loop-unroll.cc}.
1015 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
1016 instructions is handled by @file{loop-doloop.cc}.
1018 @item Jump bypassing
1020 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
1021 flow graph of a function by propagating constants into conditional
1022 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.cc}.
1024 @item If conversion
1026 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
1027 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
1028 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
1029 invocation after reload/LRA, it will generate predicated instructions
1030 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.cc}.
1032 @item Web construction
1034 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
1035 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
1036 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.cc}.
1038 @item Instruction combination
1040 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
1041 are related by data flow into single instructions.  It combines the
1042 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
1043 result using algebra, and then attempts to match the result against
1044 the machine description.  The code is located in @file{combine.cc}.
1046 @item Mode switching optimization
1048 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
1049 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
1050 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
1051 completely target-specific.  The code for this pass is located in
1052 @file{mode-switching.cc}.
1054 @cindex modulo scheduling
1055 @cindex sms, swing, software pipelining
1056 @item Modulo scheduling
1058 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
1059 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
1060 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
1061 located in @file{modulo-sched.cc}.
1063 @item Instruction scheduling
1065 This pass looks for instructions whose output will not be available by
1066 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
1067 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
1068 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
1069 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
1070 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
1071 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.cc},
1072 @file{sched-deps.cc}, @file{sched-ebb.cc}, @file{sched-rgn.cc} and
1073 @file{sched-vis.c}.
1075 @item Register allocation
1077 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
1078 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
1079 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
1080 them on the stack.  This is done in several subpasses:
1082 @itemize @bullet
1083 @item
1084 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
1085 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
1086 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
1087 has better integration with the reload/LRA pass.  Pseudo-registers spilled
1088 by the allocator or the reload/LRA have still a chance to get
1089 hard-registers if the reload/LRA evicts some pseudo-registers from
1090 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
1091 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
1092 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
1093 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
1094 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
1095 register pressure but the user can force it to use one region or
1096 regions corresponding to all loops.
1098 Source files of the allocator are @file{ira.cc}, @file{ira-build.cc},
1099 @file{ira-costs.cc}, @file{ira-conflicts.cc}, @file{ira-color.cc},
1100 @file{ira-emit.cc}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
1101 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
1102 and the rest of the compiler and between the IRA files.
1104 @cindex reloading
1105 @item
1106 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
1107 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
1108 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
1109 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
1110 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
1111 up these instructions by reloading the problematical values
1112 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
1113 do the copying.
1115 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
1116 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
1118 Source files are @file{reload.cc} and @file{reload1.cc}, plus the header
1119 @file{reload.h} used for communication between them.
1121 @cindex Local Register Allocator (LRA)
1122 @item
1123 This pass is a modern replacement of the reload pass.  Source files
1124 are @file{lra.cc}, @file{lra-assign.c}, @file{lra-coalesce.cc},
1125 @file{lra-constraints.cc}, @file{lra-eliminations.cc},
1126 @file{lra-lives.cc}, @file{lra-remat.cc}, @file{lra-spills.cc}, the
1127 header @file{lra-int.h} used for communication between them, and the
1128 header @file{lra.h} used for communication between LRA and the rest of
1129 compiler.
1131 Unlike the reload pass, intermediate LRA decisions are reflected in
1132 RTL as much as possible.  This reduces the number of target-dependent
1133 macros and hooks, leaving instruction constraints as the primary
1134 source of control.
1136 LRA is run on targets for which TARGET_LRA_P returns true.
1137 @end itemize
1139 @item Basic block reordering
1141 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
1142 information is not available, various types of static analysis are
1143 performed to make the predictions normally coming from the profile
1144 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
1145 implemented in the file @file{bb-reorder.cc}, and the various
1146 prediction routines are in @file{predict.cc}.
1148 @item Variable tracking
1150 This pass computes where the variables are stored at each
1151 position in code and generates notes describing the variable locations
1152 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
1153 notes to debug information if the debugging information format supports
1154 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.cc}.
1156 @item Delayed branch scheduling
1158 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
1159 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
1160 for this pass is located in @file{reorg.cc}.
1162 @item Branch shortening
1164 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
1165 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
1166 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
1167 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
1168 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
1169 The code for this pass is located in @file{final.cc}.
1171 @item Register-to-stack conversion
1173 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
1174 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
1175 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
1176 code for this pass is located in @file{reg-stack.cc}.
1178 @item Final
1180 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
1181 are @file{final.cc} plus @file{insn-output.cc}; the latter is generated
1182 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
1183 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
1184 these files.
1186 @item Debugging information output
1188 This is run after final because it must output the stack slot offsets
1189 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
1190 are @file{dwarfout.c} for
1191 DWARF symbol table format, files @file{dwarf2out.cc} and @file{dwarf2asm.cc}
1192 for DWARF2 symbol table format, and @file{vmsdbgout.cc} for VMS debug
1193 symbol table format.
1195 @end itemize
1197 @node Optimization info
1198 @section Optimization info
1199 @include optinfo.texi