Merge from mainline.
[official-gcc.git] / gcc / doc / tree-ssa.texi
blob016f812fed477458e5f05f17e9de6f9fe5433004
1 @c Copyright (c) 2004, 2005 Free Software Foundation, Inc.
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 Trees
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 * GENERIC::             A high-level language-independent representation.
41 * GIMPLE::              A lower-level factored tree representation.
42 * Annotations::         Attributes for statements and variables.
43 * Statement Operands::  Variables referenced by GIMPLE statements.
44 * SSA::                 Static Single Assignment representation.
45 * Alias analysis::      Representing aliased loads and stores.
46 @end menu
48 @node GENERIC
49 @section GENERIC
50 @cindex GENERIC
52 The purpose of GENERIC is simply to provide a language-independent way of
53 representing an entire function in trees.  To this end, it was necessary to
54 add a few new tree codes to the back end, but most everything was already
55 there.  If you can express it with the codes in @code{gcc/tree.def}, it's
56 GENERIC@.
58 Early on, there was a great deal of debate about how to think about
59 statements in a tree IL@.  In GENERIC, a statement is defined as any
60 expression whose value, if any, is ignored.  A statement will always
61 have @code{TREE_SIDE_EFFECTS} set (or it will be discarded), but a
62 non-statement expression may also have side effects.  A
63 @code{CALL_EXPR}, for instance.
65 It would be possible for some local optimizations to work on the
66 GENERIC form of a function; indeed, the adapted tree inliner works
67 fine on GENERIC, but the current compiler performs inlining after
68 lowering to GIMPLE (a restricted form described in the next section).
69 Indeed, currently the frontends perform this lowering before handing
70 off to @code{tree_rest_of_compilation}, but this seems inelegant.
72 If necessary, a front end can use some language-dependent tree codes
73 in its GENERIC representation, so long as it provides a hook for
74 converting them to GIMPLE and doesn't expect them to work with any
75 (hypothetical) optimizers that run before the conversion to GIMPLE@.
76 The intermediate representation used while parsing C and C++ looks
77 very little like GENERIC, but the C and C++ gimplifier hooks are
78 perfectly happy to take it as input and spit out GIMPLE@.
80 @node GIMPLE
81 @section GIMPLE
82 @cindex GIMPLE
84 GIMPLE is a simplified subset of GENERIC for use in optimization.  The
85 particular subset chosen (and the name) was heavily influenced by the
86 SIMPLE IL used by the McCAT compiler project at McGill University,
87 though we have made some different choices.  For one thing, SIMPLE
88 doesn't support @code{goto}; a production compiler can't afford that
89 kind of restriction.
91 GIMPLE retains much of the structure of the parse trees: lexical
92 scopes are represented as containers, rather than markers.  However,
93 expressions are broken down into a 3-address form, using temporary
94 variables to hold intermediate values.  Also, control structures are
95 lowered to gotos.
97 In GIMPLE no container node is ever used for its value; if a
98 @code{COND_EXPR} or @code{BIND_EXPR} has a value, it is stored into a
99 temporary within the controlled blocks, and that temporary is used in
100 place of the container.
102 The compiler pass which lowers GENERIC to GIMPLE is referred to as the
103 @samp{gimplifier}.  The gimplifier works recursively, replacing complex
104 statements with sequences of simple statements.
106 @c Currently, the only way to
107 @c tell whether or not an expression is in GIMPLE form is by recursively
108 @c examining it; in the future there will probably be a flag to help avoid
109 @c redundant work.  FIXME FIXME
111 @menu
112 * Interfaces::
113 * Temporaries::
114 * GIMPLE Expressions::
115 * Statements::
116 * GIMPLE Example::
117 * Rough GIMPLE Grammar::
118 @end menu
120 @node Interfaces
121 @subsection Interfaces
122 @cindex gimplification
124 The tree representation of a function is stored in
125 @code{DECL_SAVED_TREE}.  It is lowered to GIMPLE by a call to
126 @code{gimplify_function_tree}.
128 If a front end wants to include language-specific tree codes in the tree
129 representation which it provides to the back end, it must provide a
130 definition of @code{LANG_HOOKS_GIMPLIFY_EXPR} which knows how to
131 convert the front end trees to GIMPLE@.  Usually such a hook will involve
132 much of the same code for expanding front end trees to RTL@.  This function
133 can return fully lowered GIMPLE, or it can return GENERIC trees and let the
134 main gimplifier lower them the rest of the way; this is often simpler.
135 GIMPLE that is not fully lowered is known as ``high GIMPLE'' and
136 consists of the IL before the pass @code{pass_lower_cf}.  High GIMPLE
137 still contains lexical scopes and nested expressions, while low GIMPLE
138 exposes all of the implicit jumps for control expressions like
139 @code{COND_EXPR}.
141 The C and C++ front ends currently convert directly from front end
142 trees to GIMPLE, and hand that off to the back end rather than first
143 converting to GENERIC@.  Their gimplifier hooks know about all the
144 @code{_STMT} nodes and how to convert them to GENERIC forms.  There
145 was some work done on a genericization pass which would run first, but
146 the existence of @code{STMT_EXPR} meant that in order to convert all
147 of the C statements into GENERIC equivalents would involve walking the
148 entire tree anyway, so it was simpler to lower all the way.  This
149 might change in the future if someone writes an optimization pass
150 which would work better with higher-level trees, but currently the
151 optimizers all expect GIMPLE@.
153 A front end which wants to use the tree optimizers (and already has
154 some sort of whole-function tree representation) only needs to provide
155 a definition of @code{LANG_HOOKS_GIMPLIFY_EXPR}, call
156 @code{gimplify_function_tree} to lower to GIMPLE, and then hand off to
157 @code{tree_rest_of_compilation} to compile and output the function.
159 You can tell the compiler to dump a C-like representation of the GIMPLE
160 form with the flag @option{-fdump-tree-gimple}.
162 @node Temporaries
163 @subsection Temporaries
164 @cindex Temporaries
166 When gimplification encounters a subexpression which is too complex, it
167 creates a new temporary variable to hold the value of the subexpression,
168 and adds a new statement to initialize it before the current statement.
169 These special temporaries are known as @samp{expression temporaries}, and are
170 allocated using @code{get_formal_tmp_var}.  The compiler tries to
171 always evaluate identical expressions into the same temporary, to simplify
172 elimination of redundant calculations.
174 We can only use expression temporaries when we know that it will not be
175 reevaluated before its value is used, and that it will not be otherwise
176 modified@footnote{These restrictions are derived from those in Morgan 4.8.}.
177 Other temporaries can be allocated using
178 @code{get_initialized_tmp_var} or @code{create_tmp_var}.
180 Currently, an expression like @code{a = b + 5} is not reduced any
181 further.  We tried converting it to something like
182 @smallexample
183   T1 = b + 5;
184   a = T1;
185 @end smallexample
186 but this bloated the representation for minimal benefit.  However, a
187 variable which must live in memory cannot appear in an expression; its
188 value is explicitly loaded into a temporary first.  Similarly, storing
189 the value of an expression to a memory variable goes through a
190 temporary.
192 @node GIMPLE Expressions
193 @subsection Expressions
194 @cindex GIMPLE Expressions
196 In general, expressions in GIMPLE consist of an operation and the
197 appropriate number of simple operands; these operands must either be a
198 GIMPLE rvalue (@code{is_gimple_val}), i.e.@: a constant or a register
199 variable.  More complex operands are factored out into temporaries, so
200 that
201 @smallexample
202   a = b + c + d
203 @end smallexample
204 becomes
205 @smallexample
206   T1 = b + c;
207   a = T1 + d;
208 @end smallexample
210 The same rule holds for arguments to a @code{CALL_EXPR}.
212 The target of an assignment is usually a variable, but can also be an
213 @code{INDIRECT_REF} or a compound lvalue as described below.
215 @menu
216 * Compound Expressions::
217 * Compound Lvalues::
218 * Conditional Expressions::
219 * Logical Operators::
220 @end menu
222 @node Compound Expressions
223 @subsubsection Compound Expressions
224 @cindex Compound Expressions
226 The left-hand side of a C comma expression is simply moved into a separate
227 statement.
229 @node Compound Lvalues
230 @subsubsection Compound Lvalues
231 @cindex Compound Lvalues
233 Currently compound lvalues involving array and structure field references
234 are not broken down; an expression like @code{a.b[2] = 42} is not reduced
235 any further (though complex array subscripts are).  This restriction is a
236 workaround for limitations in later optimizers; if we were to convert this
239 @smallexample
240   T1 = &a.b;
241   T1[2] = 42;
242 @end smallexample
244 alias analysis would not remember that the reference to @code{T1[2]} came
245 by way of @code{a.b}, so it would think that the assignment could alias
246 another member of @code{a}; this broke @code{struct-alias-1.c}.  Future
247 optimizer improvements may make this limitation unnecessary.
249 @node Conditional Expressions
250 @subsubsection Conditional Expressions
251 @cindex Conditional Expressions
253 A C @code{?:} expression is converted into an @code{if} statement with
254 each branch assigning to the same temporary.  So,
256 @smallexample
257   a = b ? c : d;
258 @end smallexample
259 becomes
260 @smallexample
261   if (b)
262     T1 = c;
263   else
264     T1 = d;
265   a = T1;
266 @end smallexample
268 Tree level if-conversion pass re-introduces @code{?:} expression, if appropriate.
269 It is used to vectorize loops with conditions using vector conditional operations.
271 Note that in GIMPLE, @code{if} statements are also represented using
272 @code{COND_EXPR}, as described below.
274 @node Logical Operators
275 @subsubsection Logical Operators
276 @cindex Logical Operators
278 Except when they appear in the condition operand of a @code{COND_EXPR},
279 logical `and' and `or' operators are simplified as follows:
280 @code{a = b && c} becomes
282 @smallexample
283   T1 = (bool)b;
284   if (T1)
285     T1 = (bool)c;
286   a = T1;
287 @end smallexample
289 Note that @code{T1} in this example cannot be an expression temporary,
290 because it has two different assignments.
292 @node Statements
293 @subsection Statements
294 @cindex Statements
296 Most statements will be assignment statements, represented by
297 @code{MODIFY_EXPR}.  A @code{CALL_EXPR} whose value is ignored can
298 also be a statement.  No other C expressions can appear at statement level;
299 a reference to a volatile object is converted into a @code{MODIFY_EXPR}.
300 In GIMPLE form, type of @code{MODIFY_EXPR} is not meaningful.  Instead, use type
301 of LHS or RHS@.
303 There are also several varieties of complex statements.
305 @menu
306 * Blocks::
307 * Statement Sequences::
308 * Empty Statements::
309 * Loops::
310 * Selection Statements::
311 * Jumps::
312 * Cleanups::
313 * GIMPLE Exception Handling::
314 @end menu
316 @node Blocks
317 @subsubsection Blocks
318 @cindex Blocks
320 Block scopes and the variables they declare in GENERIC and GIMPLE are
321 expressed using the @code{BIND_EXPR} code, which in previous versions of
322 GCC was primarily used for the C statement-expression extension.
324 Variables in a block are collected into @code{BIND_EXPR_VARS} in
325 declaration order.  Any runtime initialization is moved out of
326 @code{DECL_INITIAL} and into a statement in the controlled block.  When
327 gimplifying from C or C++, this initialization replaces the
328 @code{DECL_STMT}.
330 Variable-length arrays (VLAs) complicate this process, as their size often
331 refers to variables initialized earlier in the block.  To handle this, we
332 currently split the block at that point, and move the VLA into a new, inner
333 @code{BIND_EXPR}.  This strategy may change in the future.
335 @code{DECL_SAVED_TREE} for a GIMPLE function will always be a
336 @code{BIND_EXPR} which contains declarations for the temporary variables
337 used in the function.
339 A C++ program will usually contain more @code{BIND_EXPR}s than there are
340 syntactic blocks in the source code, since several C++ constructs have
341 implicit scopes associated with them.  On the other hand, although the C++
342 front end uses pseudo-scopes to handle cleanups for objects with
343 destructors, these don't translate into the GIMPLE form; multiple
344 declarations at the same level use the same @code{BIND_EXPR}.
346 @node Statement Sequences
347 @subsubsection Statement Sequences
348 @cindex Statement Sequences
350 Multiple statements at the same nesting level are collected into a
351 @code{STATEMENT_LIST}.  Statement lists are modified and traversed
352 using the interface in @samp{tree-iterator.h}.
354 @node Empty Statements
355 @subsubsection Empty Statements
356 @cindex Empty Statements
358 Whenever possible, statements with no effect are discarded.  But if they
359 are nested within another construct which cannot be discarded for some
360 reason, they are instead replaced with an empty statement, generated by
361 @code{build_empty_stmt}.  Initially, all empty statements were shared,
362 after the pattern of the Java front end, but this caused a lot of trouble in
363 practice.
365 An empty statement is represented as @code{(void)0}.
367 @node Loops
368 @subsubsection Loops
369 @cindex Loops
371 At one time loops were expressed in GIMPLE using @code{LOOP_EXPR}, but
372 now they are lowered to explicit gotos.
374 @node Selection Statements
375 @subsubsection Selection Statements
376 @cindex Selection Statements
378 A simple selection statement, such as the C @code{if} statement, is
379 expressed in GIMPLE using a void @code{COND_EXPR}.  If only one branch is
380 used, the other is filled with an empty statement.
382 Normally, the condition expression is reduced to a simple comparison.  If
383 it is a shortcut (@code{&&} or @code{||}) expression, however, we try to
384 break up the @code{if} into multiple @code{if}s so that the implied shortcut
385 is taken directly, much like the transformation done by @code{do_jump} in
386 the RTL expander.
388 A @code{SWITCH_EXPR} in GIMPLE contains the condition and a
389 @code{TREE_VEC} of @code{CASE_LABEL_EXPR}s describing the case values
390 and corresponding @code{LABEL_DECL}s to jump to.  The body of the
391 @code{switch} is moved after the @code{SWITCH_EXPR}.
393 @node Jumps
394 @subsubsection Jumps
395 @cindex Jumps
397 Other jumps are expressed by either @code{GOTO_EXPR} or @code{RETURN_EXPR}.
399 The operand of a @code{GOTO_EXPR} must be either a label or a variable
400 containing the address to jump to.
402 The operand of a @code{RETURN_EXPR} is either @code{NULL_TREE} or a
403 @code{MODIFY_EXPR} which sets the return value.  It would be nice to
404 move the @code{MODIFY_EXPR} into a separate statement, but the special
405 return semantics in @code{expand_return} make that difficult.  It may
406 still happen in the future, perhaps by moving most of that logic into
407 @code{expand_assignment}.
409 @node Cleanups
410 @subsubsection Cleanups
411 @cindex Cleanups
413 Destructors for local C++ objects and similar dynamic cleanups are
414 represented in GIMPLE by a @code{TRY_FINALLY_EXPR}.
415 @code{TRY_FINALLY_EXPR} has two operands, both of which are a sequence
416 of statements to execute.  The first sequence is executed.  When it
417 completes the second sequence is executed.
419 The first sequence may complete in the following ways:
421 @enumerate
423 @item Execute the last statement in the sequence and fall off the
424 end.
426 @item Execute a goto statement (@code{GOTO_EXPR}) to an ordinary
427 label outside the sequence.
429 @item Execute a return statement (@code{RETURN_EXPR}).
431 @item Throw an exception.  This is currently not explicitly represented in
432 GIMPLE.
434 @end enumerate
436 The second sequence is not executed if the first sequence completes by
437 calling @code{setjmp} or @code{exit} or any other function that does
438 not return.  The second sequence is also not executed if the first
439 sequence completes via a non-local goto or a computed goto (in general
440 the compiler does not know whether such a goto statement exits the
441 first sequence or not, so we assume that it doesn't).
443 After the second sequence is executed, if it completes normally by
444 falling off the end, execution continues wherever the first sequence
445 would have continued, by falling off the end, or doing a goto, etc.
447 @code{TRY_FINALLY_EXPR} complicates the flow graph, since the cleanup
448 needs to appear on every edge out of the controlled block; this
449 reduces the freedom to move code across these edges.  Therefore, the
450 EH lowering pass which runs before most of the optimization passes
451 eliminates these expressions by explicitly adding the cleanup to each
452 edge.  Rethrowing the exception is represented using @code{RESX_EXPR}.
455 @node GIMPLE Exception Handling
456 @subsubsection Exception Handling
457 @cindex GIMPLE Exception Handling
459 Other exception handling constructs are represented using
460 @code{TRY_CATCH_EXPR}.  @code{TRY_CATCH_EXPR} has two operands.  The
461 first operand is a sequence of statements to execute.  If executing
462 these statements does not throw an exception, then the second operand
463 is ignored.  Otherwise, if an exception is thrown, then the second
464 operand of the @code{TRY_CATCH_EXPR} is checked.  The second operand
465 may have the following forms:
467 @enumerate
469 @item A sequence of statements to execute.  When an exception occurs,
470 these statements are executed, and then the exception is rethrown.
472 @item A sequence of @code{CATCH_EXPR} expressions.  Each @code{CATCH_EXPR}
473 has a list of applicable exception types and handler code.  If the
474 thrown exception matches one of the caught types, the associated
475 handler code is executed.  If the handler code falls off the bottom,
476 execution continues after the original @code{TRY_CATCH_EXPR}.
478 @item An @code{EH_FILTER_EXPR} expression.  This has a list of
479 permitted exception types, and code to handle a match failure.  If the
480 thrown exception does not match one of the allowed types, the
481 associated match failure code is executed.  If the thrown exception
482 does match, it continues unwinding the stack looking for the next
483 handler.
485 @end enumerate
487 Currently throwing an exception is not directly represented in GIMPLE,
488 since it is implemented by calling a function.  At some point in the future
489 we will want to add some way to express that the call will throw an
490 exception of a known type.
492 Just before running the optimizers, the compiler lowers the high-level
493 EH constructs above into a set of @samp{goto}s, magic labels, and EH
494 regions.  Continuing to unwind at the end of a cleanup is represented
495 with a @code{RESX_EXPR}.
497 @node GIMPLE Example
498 @subsection GIMPLE Example
499 @cindex GIMPLE Example
501 @smallexample
502 struct A @{ A(); ~A(); @};
504 int i;
505 int g();
506 void f()
508   A a;
509   int j = (--i, i ? 0 : 1);
511   for (int x = 42; x > 0; --x)
512     @{
513       i += g()*4 + 32;
514     @}
516 @end smallexample
518 becomes
520 @smallexample
521 void f()
523   int i.0;
524   int T.1;
525   int iftmp.2;
526   int T.3;
527   int T.4;
528   int T.5;
529   int T.6;
531   @{
532     struct A a;
533     int j;
535     __comp_ctor (&a);
536     try
537       @{
538         i.0 = i;
539         T.1 = i.0 - 1;
540         i = T.1;
541         i.0 = i;
542         if (i.0 == 0)
543           iftmp.2 = 1;
544         else
545           iftmp.2 = 0;
546         j = iftmp.2;
547         @{
548           int x;
550           x = 42;
551           goto test;
552           loop:;
554           T.3 = g ();
555           T.4 = T.3 * 4;
556           i.0 = i;
557           T.5 = T.4 + i.0;
558           T.6 = T.5 + 32;
559           i = T.6;
560           x = x - 1;
562           test:;
563           if (x > 0)
564             goto loop;
565           else
566             goto break_;
567           break_:;
568         @}
569       @}
570     finally
571       @{
572         __comp_dtor (&a);
573       @}
574   @}
576 @end smallexample
578 @node Rough GIMPLE Grammar
579 @subsection Rough GIMPLE Grammar
580 @cindex Rough GIMPLE Grammar
582 @smallexample
583    function     : FUNCTION_DECL
584                         DECL_SAVED_TREE -> compound-stmt
586    compound-stmt: STATEMENT_LIST
587                         members -> stmt
589    stmt         : block
590                 | if-stmt
591                 | switch-stmt
592                 | goto-stmt
593                 | return-stmt
594                 | resx-stmt
595                 | label-stmt
596                 | try-stmt
597                 | modify-stmt
598                 | call-stmt
600    block        : BIND_EXPR
601                         BIND_EXPR_VARS -> chain of DECLs
602                         BIND_EXPR_BLOCK -> BLOCK
603                         BIND_EXPR_BODY -> compound-stmt
605    if-stmt      : COND_EXPR
606                         op0 -> condition
607                         op1 -> compound-stmt
608                         op2 -> compound-stmt
610    switch-stmt  : SWITCH_EXPR
611                         op0 -> val
612                         op1 -> NULL
613                         op2 -> TREE_VEC of CASE_LABEL_EXPRs
614                             The CASE_LABEL_EXPRs are sorted by CASE_LOW,
615                             and default is last.
617    goto-stmt    : GOTO_EXPR
618                         op0 -> LABEL_DECL | val
620    return-stmt  : RETURN_EXPR
621                         op0 -> return-value
623    return-value : NULL
624                 | RESULT_DECL
625                 | MODIFY_EXPR
626                         op0 -> RESULT_DECL
627                         op1 -> lhs
629    resx-stmt    : RESX_EXPR
631    label-stmt   : LABEL_EXPR
632                         op0 -> LABEL_DECL
634    try-stmt     : TRY_CATCH_EXPR
635                         op0 -> compound-stmt
636                         op1 -> handler
637                 | TRY_FINALLY_EXPR
638                         op0 -> compound-stmt
639                         op1 -> compound-stmt
641    handler      : catch-seq
642                 | EH_FILTER_EXPR
643                 | compound-stmt
645    catch-seq    : STATEMENT_LIST
646                         members -> CATCH_EXPR
648    modify-stmt  : MODIFY_EXPR
649                         op0 -> lhs
650                         op1 -> rhs
652    call-stmt    : CALL_EXPR
653                         op0 -> val | OBJ_TYPE_REF
654                         op1 -> call-arg-list
656    call-arg-list: TREE_LIST
657                         members -> lhs | CONST
659    addr-expr-arg: ID
660                 | compref
662    addressable  : addr-expr-arg
663                 | indirectref
665    with-size-arg: addressable
666                 | call-stmt
668    indirectref  : INDIRECT_REF
669                         op0 -> val
671    lhs          : addressable
672                 | bitfieldref
673                 | WITH_SIZE_EXPR
674                         op0 -> with-size-arg
675                         op1 -> val
677    min-lval     : ID
678                 | indirectref
680    bitfieldref  : BIT_FIELD_REF
681                         op0 -> inner-compref
682                         op1 -> CONST
683                         op2 -> var
685    compref      : inner-compref
686                 | TARGET_MEM_REF
687                         op0 -> ID
688                         op1 -> val
689                         op2 -> val
690                         op3 -> CONST
691                         op4 -> CONST
692                 | REALPART_EXPR
693                         op0 -> inner-compref
694                 | IMAGPART_EXPR
695                         op0 -> inner-compref
697    inner-compref: min-lval
698                 | COMPONENT_REF
699                         op0 -> inner-compref
700                         op1 -> FIELD_DECL
701                         op2 -> val
702                 | ARRAY_REF
703                         op0 -> inner-compref
704                         op1 -> val
705                         op2 -> val
706                         op3 -> val
707                 | ARRAY_RANGE_REF
708                         op0 -> inner-compref
709                         op1 -> val
710                         op2 -> val
711                         op3 -> val
712                 | VIEW_CONVERT_EXPR
713                         op0 -> inner-compref
715    condition    : val
716                 | RELOP
717                         op0 -> val
718                         op1 -> val
720    val          : ID
721                 | CONST
723    rhs          : lhs
724                 | CONST
725                 | call-stmt
726                 | ADDR_EXPR
727                         op0 -> addr-expr-arg
728                 | UNOP
729                         op0 -> val
730                 | BINOP
731                         op0 -> val
732                         op1 -> val
733                 | RELOP
734                         op0 -> val
735                         op1 -> val
736                 | COND_EXPR
737                         op0 -> condition
738                         op1 -> val
739                         op2 -> val
740 @end smallexample
742 @node Annotations
743 @section Annotations
744 @cindex annotations
746 The optimizers need to associate attributes with statements and
747 variables during the optimization process.  For instance, we need to
748 know what basic block a statement belongs to or whether a variable
749 has aliases.  All these attributes are stored in data structures
750 called annotations which are then linked to the field @code{ann} in
751 @code{struct tree_common}.
753 Presently, we define annotations for statements (@code{stmt_ann_t}),
754 variables (@code{var_ann_t}) and SSA names (@code{ssa_name_ann_t}).
755 Annotations are defined and documented in @file{tree-flow.h}.
758 @node Statement Operands
759 @section Statement Operands
760 @cindex operands
761 @cindex virtual operands
762 @cindex real operands
763 @findex update_stmt
765 Almost every GIMPLE statement will contain a reference to a variable
766 or memory location.  Since statements come in different shapes and
767 sizes, their operands are going to be located at various spots inside
768 the statement's tree.  To facilitate access to the statement's
769 operands, they are organized into lists associated inside each
770 statement's annotation.  Each element in an operand list is a pointer
771 to a @code{VAR_DECL}, @code{PARM_DECL} or @code{SSA_NAME} tree node.
772 This provides a very convenient way of examining and replacing
773 operands.
775 Data flow analysis and optimization is done on all tree nodes
776 representing variables.  Any node for which @code{SSA_VAR_P} returns
777 nonzero is considered when scanning statement operands.  However, not
778 all @code{SSA_VAR_P} variables are processed in the same way.  For the
779 purposes of optimization, we need to distinguish between references to
780 local scalar variables and references to globals, statics, structures,
781 arrays, aliased variables, etc.  The reason is simple, the compiler
782 can gather complete data flow information for a local scalar.  On the
783 other hand, a global variable may be modified by a function call, it
784 may not be possible to keep track of all the elements of an array or
785 the fields of a structure, etc.
787 The operand scanner gathers two kinds of operands: @dfn{real} and
788 @dfn{virtual}.  An operand for which @code{is_gimple_reg} returns true
789 is considered real, otherwise it is a virtual operand.  We also
790 distinguish between uses and definitions.  An operand is used if its
791 value is loaded by the statement (e.g., the operand at the RHS of an
792 assignment).  If the statement assigns a new value to the operand, the
793 operand is considered a definition (e.g., the operand at the LHS of
794 an assignment).
796 Virtual and real operands also have very different data flow
797 properties.  Real operands are unambiguous references to the
798 full object that they represent.  For instance, given
800 @smallexample
802   int a, b;
803   a = b
805 @end smallexample
807 Since @code{a} and @code{b} are non-aliased locals, the statement
808 @code{a = b} will have one real definition and one real use because
809 variable @code{b} is completely modified with the contents of
810 variable @code{a}.  Real definition are also known as @dfn{killing
811 definitions}.  Similarly, the use of @code{a} reads all its bits.
813 In contrast, virtual operands are used with variables that can have
814 a partial or ambiguous reference.  This includes structures, arrays,
815 globals, and aliased variables.  In these cases, we have two types of
816 definitions.  For globals, structures, and arrays, we can determine from
817 a statement whether a variable of these types has a killing definition.
818 If the variable does, then the statement is marked as having a
819 @dfn{must definition} of that variable.  However, if a statement is only
820 defining a part of the variable (i.e.@: a field in a structure), or if we
821 know that a statement might define the variable but we cannot say for sure,
822 then we mark that statement as having a @dfn{may definition}.  For
823 instance, given
825 @smallexample
827   int a, b, *p;
829   if (...)
830     p = &a;
831   else
832     p = &b;
833   *p = 5;
834   return *p;
836 @end smallexample
838 The assignment @code{*p = 5} may be a definition of @code{a} or
839 @code{b}.  If we cannot determine statically where @code{p} is
840 pointing to at the time of the store operation, we create virtual
841 definitions to mark that statement as a potential definition site for
842 @code{a} and @code{b}.  Memory loads are similarly marked with virtual
843 use operands.  Virtual operands are shown in tree dumps right before
844 the statement that contains them.  To request a tree dump with virtual
845 operands, use the @option{-vops} option to @option{-fdump-tree}:
847 @smallexample
849   int a, b, *p;
851   if (...)
852     p = &a;
853   else
854     p = &b;
855   # a = V_MAY_DEF <a>
856   # b = V_MAY_DEF <b>
857   *p = 5;
859   # VUSE <a>
860   # VUSE <b>
861   return *p;
863 @end smallexample
865 Notice that @code{V_MAY_DEF} operands have two copies of the referenced
866 variable.  This indicates that this is not a killing definition of
867 that variable.  In this case we refer to it as a @dfn{may definition}
868 or @dfn{aliased store}.  The presence of the second copy of the
869 variable in the @code{V_MAY_DEF} operand will become important when the
870 function is converted into SSA form.  This will be used to link all
871 the non-killing definitions to prevent optimizations from making
872 incorrect assumptions about them.
874 Operands are updated as soon as the statement is finished via a call
875 to @code{update_stmt}.  If statement elements are changed via
876 @code{SET_USE} or @code{SET_DEF}, then no further action is required
877 (ie, those macros take care of updating the statement).  If changes
878 are made by manipulating the statement's tree directly, then a call
879 must be made to @code{update_stmt} when complete.  Calling one of the
880 @code{bsi_insert} routines or @code{bsi_replace} performs an implicit
881 call to @code{update_stmt}.
883 @subsection Operand Iterators And Access Routines
884 @cindex Operand Iterators 
885 @cindex Operand Access Routines
887 Operands are collected by @file{tree-ssa-operands.c}.  They are stored
888 inside each statement's annotation and can be accessed through either the
889 operand iterators or an access routine.
891 The following access routines are available for examining operands:
893 @enumerate
894 @item @code{SINGLE_SSA_@{USE,DEF,TREE@}_OPERAND}: These accessors will return 
895 NULL unless there is exactly one operand matching the specified flags.  If 
896 there is exactly one operand, the operand is returned as either a @code{tree}, 
897 @code{def_operand_p}, or @code{use_operand_p}.
899 @smallexample
900 tree t = SINGLE_SSA_TREE_OPERAND (stmt, flags);
901 use_operand_p u = SINGLE_SSA_USE_OPERAND (stmt, SSA_ALL_VIRTUAL_USES);
902 def_operand_p d = SINGLE_SSA_DEF_OPERAND (stmt, SSA_OP_ALL_DEFS);
903 @end smallexample
905 @item @code{ZERO_SSA_OPERANDS}: This macro returns true if there are no 
906 operands matching the specified flags.
908 @smallexample
909 if (ZERO_SSA_OPERANDS (stmt, SSA_OP_ALL_VIRTUALS))
910   return;
911 @end smallexample
913 @item @code{NUM_SSA_OPERANDS}: This macro Returns the number of operands 
914 matching 'flags'.  This actually executes a loop to perform the count, so 
915 only use this if it is really needed.
917 @smallexample
918 int count = NUM_SSA_OPERANDS (stmt, flags)
919 @end smallexample
920 @end enumerate
923 If you wish to iterate over some or all operands, use the
924 @code{FOR_EACH_SSA_@{USE,DEF,TREE@}_OPERAND} iterator.  For example, to print
925 all the operands for a statement:
927 @smallexample
928 void
929 print_ops (tree stmt)
931   ssa_op_iter;
932   tree var;
934   FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND (var, stmt, iter, SSA_OP_ALL_OPERANDS)
935     print_generic_expr (stderr, var, TDF_SLIM);
937 @end smallexample
940 How to choose the appropriate iterator:
942 @enumerate
943 @item Determine whether you are need to see the operand pointers, or just the
944     trees, and choose the appropriate macro:
946 @smallexample
947 Need            Macro:
948 ----            -------
949 use_operand_p   FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND
950 def_operand_p   FOR_EACH_SSA_DEF_OPERAND
951 tree            FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND
952 @end smallexample
954 @item You need to declare a variable of the type you are interested
955     in, and an ssa_op_iter structure which serves as the loop
956     controlling variable.
958 @item Determine which operands you wish to use, and specify the flags of
959     those you are interested in.  They are documented in
960     @file{tree-ssa-operands.h}:
962 @smallexample
963 #define SSA_OP_USE              0x01    /* @r{Real USE operands.}  */
964 #define SSA_OP_DEF              0x02    /* @r{Real DEF operands.}  */
965 #define SSA_OP_VUSE             0x04    /* @r{VUSE operands.}  */
966 #define SSA_OP_VMAYUSE          0x08    /* @r{USE portion of V_MAY_DEFS.}  */
967 #define SSA_OP_VMAYDEF          0x10    /* @r{DEF portion of V_MAY_DEFS.}  */
968 #define SSA_OP_VMUSTDEF         0x20    /* @r{V_MUST_DEF definitions.}  */
970 /* @r{These are commonly grouped operand flags.}  */
971 #define SSA_OP_VIRTUAL_USES     (SSA_OP_VUSE | SSA_OP_VMAYUSE)
972 #define SSA_OP_VIRTUAL_DEFS     (SSA_OP_VMAYDEF | SSA_OP_VMUSTDEF)
973 #define SSA_OP_ALL_USES         (SSA_OP_VIRTUAL_USES | SSA_OP_USE)
974 #define SSA_OP_ALL_DEFS         (SSA_OP_VIRTUAL_DEFS | SSA_OP_DEF)
975 #define SSA_OP_ALL_OPERANDS     (SSA_OP_ALL_USES | SSA_OP_ALL_DEFS)
976 @end smallexample
977 @end enumerate
979 So if you want to look at the use pointers for all the @code{USE} and
980 @code{VUSE} operands, you would do something like:
982 @smallexample
983   use_operand_p use_p;
984   ssa_op_iter iter;
986   FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND (use_p, stmt, iter, (SSA_OP_USE | SSA_OP_VUSE))
987     @{
988       process_use_ptr (use_p);
989     @}
990 @end smallexample
992 The @code{TREE} macro is basically the same as the @code{USE} and
993 @code{DEF} macros, only with the use or def dereferenced via
994 @code{USE_FROM_PTR (use_p)} and @code{DEF_FROM_PTR (def_p)}.  Since we
995 aren't using operand pointers, use and defs flags can be mixed.
997 @smallexample
998   tree var;
999   ssa_op_iter iter;
1001   FOR_EACH_SSA_TREE_OPERAND (var, stmt, iter, SSA_OP_VUSE | SSA_OP_VMUSTDEF)
1002     @{
1003        print_generic_expr (stderr, var, TDF_SLIM);
1004     @}
1005 @end smallexample
1007 @code{V_MAY_DEF}s are broken into two flags, one for the
1008 @code{DEF} portion (@code{SSA_OP_VMAYDEF}) and one for the USE portion
1009 (@code{SSA_OP_VMAYUSE}).  If all you want to look at are the
1010 @code{V_MAY_DEF}s together, there is a fourth iterator macro for this,
1011 which returns both a def_operand_p and a use_operand_p for each
1012 @code{V_MAY_DEF} in the statement.  Note that you don't need any flags for
1013 this one.
1015 @smallexample
1016   use_operand_p use_p;
1017   def_operand_p def_p;
1018   ssa_op_iter iter;
1020   FOR_EACH_SSA_MAYDEF_OPERAND (def_p, use_p, stmt, iter)
1021     @{
1022       my_code;
1023     @}
1024 @end smallexample
1026 @code{V_MUST_DEF}s are broken into two flags, one for the
1027 @code{DEF} portion (@code{SSA_OP_VMUSTDEF}) and one for the kill portion
1028 (@code{SSA_OP_VMUSTKILL}).  If all you want to look at are the
1029 @code{V_MUST_DEF}s together, there is a fourth iterator macro for this,
1030 which returns both a def_operand_p and a use_operand_p for each
1031 @code{V_MUST_DEF} in the statement.  Note that you don't need any flags for
1032 this one.
1034 @smallexample
1035   use_operand_p kill_p;
1036   def_operand_p def_p;
1037   ssa_op_iter iter;
1039   FOR_EACH_SSA_MUSTDEF_OPERAND (def_p, kill_p, stmt, iter)
1040     @{
1041       my_code;
1042     @}
1043 @end smallexample
1046 There are many examples in the code as well, as well as the
1047 documentation in @file{tree-ssa-operands.h}.
1049 There are also a couple of variants on the stmt iterators regarding PHI
1050 nodes.
1052 @code{FOR_EACH_PHI_ARG} Works exactly like 
1053 @code{FOR_EACH_SSA_USE_OPERAND}, except it works over @code{PHI} arguments 
1054 instead of statement operands.
1056 @smallexample
1057 /* Look at every virtual PHI use.  */
1058 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_VIRTUAL_USES)
1060    my_code;
1063 /* Look at every real PHI use.  */
1064 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_USES)
1065   my_code;
1067 /* Look at every every PHI use.  */
1068 FOR_EACH_PHI_ARG (use_p, phi_stmt, iter, SSA_OP_ALL_USES)
1069   my_code;
1070 @end smallexample
1072 @code{FOR_EACH_PHI_OR_STMT_@{USE,DEF@}} works exactly like 
1073 @code{FOR_EACH_SSA_@{USE,DEF@}_OPERAND}, except it will function on
1074 either a statement or a @code{PHI} node.  These should be used when it is
1075 appropriate but they are not quite as efficient as the individual 
1076 @code{FOR_EACH_PHI} and @code{FOR_EACH_SSA} routines.
1078 @smallexample
1079 FOR_EACH_PHI_OR_STMT_USE (use_operand_p, stmt, iter, flags)
1080   @{
1081      my_code;
1082   @}
1084 FOR_EACH_PHI_OR_STMT_DEF (def_operand_p, phi, iter, flags)
1085   @{
1086      my_code;
1087   @}
1088 @end smallexample
1090 @subsection Immediate Uses
1091 @cindex Immediate Uses
1093 Immediate use information is now always available.  Using the immediate use 
1094 iterators, you may examine every use of any @code{SSA_NAME}. For instance,
1095 to change each use of @code{ssa_var} to @code{ssa_var2} and call fold_stmt on
1096 each stmt after that is done:
1098 @smallexample
1099   use_operand_p imm_use_p;
1100   imm_use_iterator iterator;
1101   tree ssa_var, stmt;
1104   FOR_EACH_IMM_USE_STMT (stmt, iterator, ssa_var)
1105     @{
1106       FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT (imm_use_p, iterator)
1107         SET_USE (imm_use_p, ssa_var_2);
1108       fold_stmt (stmt);
1109     @}
1110 @end smallexample
1112 There are 2 iterators which can be used. @code{FOR_EACH_IMM_USE_FAST} is used 
1113 when the immediate uses are not changed, ie. you are looking at the uses, but 
1114 not setting them.  
1116 If they do get changed, then care must be taken that things are not changed 
1117 under the iterators, so use the @code{FOR_EACH_IMM_USE_STMT} and 
1118 @code{FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT} iterators.  They attempt to preserve the 
1119 sanity of the use list by moving all the uses for a statement into 
1120 a controlled position, and then iterating over those uses.  Then the 
1121 optimization can manipulate the stmt when all the uses have been
1122 processed.  This is a little slower than the FAST version since it adds a 
1123 placeholder element and must sort through the list a bit for each statement.  
1124 This placeholder element must be also be removed if the loop is 
1125 terminated early.  The macro @code{BREAK_FROM_IMM_USE_SAFE} is provided 
1126 to do this :
1128 @smallexample
1129   FOR_EACH_IMM_USE_STMT (stmt, iterator, ssa_var)
1130     @{
1131       if (stmt == last_stmt)
1132         BREAK_FROM_SAFE_IMM_USE (iter);
1134       FOR_EACH_IMM_USE_ON_STMT (imm_use_p, iterator)
1135         SET_USE (imm_use_p, ssa_var_2);
1136       fold_stmt (stmt);
1137     @}
1138 @end smallexample
1140 There are checks in @code{verify_ssa} which verify that the immediate use list
1141 is up to date, as well as checking that an optimization didn't break from the 
1142 loop without using this macro.  It is safe to simply 'break'; from a 
1143 @code{FOR_EACH_IMM_USE_FAST} traverse.
1145 Some useful functions and macros:
1146 @enumerate
1147 @item  @code{has_zero_uses (ssa_var)} : Returns true if there are no uses of
1148 @code{ssa_var}.
1149 @item   @code{has_single_use (ssa_var)} : Returns true if there is only a 
1150 single use of @code{ssa_var}.
1151 @item   @code{single_imm_use (ssa_var, use_operand_p *ptr, tree *stmt)} :
1152 Returns true if there is only a single use of @code{ssa_var}, and also returns
1153 the use pointer and statement it occurs in in the second and third parameters.
1154 @item   @code{num_imm_uses (ssa_var)} : Returns the number of immediate uses of
1155 @code{ssa_var}. It is better not to use this if possible since it simply
1156 utilizes a loop to count the uses.
1157 @item  @code{PHI_ARG_INDEX_FROM_USE (use_p)} : Given a use within a @code{PHI}
1158 node, return the index number for the use.  An assert is triggered if the use
1159 isn't located in a @code{PHI} node.
1160 @item  @code{USE_STMT (use_p)} : Return the statement a use occurs in.
1161 @end enumerate
1163 Note that uses are not put into an immediate use list until their statement is
1164 actually inserted into the instruction stream via a @code{bsi_*} routine.  
1166 It is also still possible to utilize lazy updating of statements, but this 
1167 should be used only when absolutely required.  Both alias analysis and the 
1168 dominator optimizations currently do this.  
1170 When lazy updating is being used, the immediate use information is out of date 
1171 and cannot be used reliably.  Lazy updating is achieved by simply marking
1172 statements modified via calls to @code{mark_stmt_modified} instead of 
1173 @code{update_stmt}.  When lazy updating is no longer required, all the 
1174 modified statements must have @code{update_stmt} called in order to bring them 
1175 up to date.  This must be done before the optimization is finished, or 
1176 @code{verify_ssa} will trigger an abort.
1178 This is done with a simple loop over the instruction stream:
1179 @smallexample
1180   block_stmt_iterator bsi;
1181   basic_block bb;
1182   FOR_EACH_BB (bb)
1183     @{
1184       for (bsi = bsi_start (bb); !bsi_end_p (bsi); bsi_next (&bsi))
1185         update_stmt_if_modified (bsi_stmt (bsi));
1186     @}
1187 @end smallexample
1189 @node SSA
1190 @section Static Single Assignment
1191 @cindex SSA
1192 @cindex static single assignment
1194 Most of the tree optimizers rely on the data flow information provided
1195 by the Static Single Assignment (SSA) form.  We implement the SSA form
1196 as described in @cite{R. Cytron, J. Ferrante, B. Rosen, M. Wegman, and
1197 K. Zadeck.  Efficiently Computing Static Single Assignment Form and the
1198 Control Dependence Graph.  ACM Transactions on Programming Languages
1199 and Systems, 13(4):451-490, October 1991}.
1201 The SSA form is based on the premise that program variables are
1202 assigned in exactly one location in the program.  Multiple assignments
1203 to the same variable create new versions of that variable.  Naturally,
1204 actual programs are seldom in SSA form initially because variables
1205 tend to be assigned multiple times.  The compiler modifies the program
1206 representation so that every time a variable is assigned in the code,
1207 a new version of the variable is created.  Different versions of the
1208 same variable are distinguished by subscripting the variable name with
1209 its version number.  Variables used in the right-hand side of
1210 expressions are renamed so that their version number matches that of
1211 the most recent assignment.
1213 We represent variable versions using @code{SSA_NAME} nodes.  The
1214 renaming process in @file{tree-ssa.c} wraps every real and
1215 virtual operand with an @code{SSA_NAME} node which contains
1216 the version number and the statement that created the
1217 @code{SSA_NAME}.  Only definitions and virtual definitions may
1218 create new @code{SSA_NAME} nodes.
1220 Sometimes, flow of control makes it impossible to determine what is the
1221 most recent version of a variable.  In these cases, the compiler
1222 inserts an artificial definition for that variable called
1223 @dfn{PHI function} or @dfn{PHI node}.  This new definition merges
1224 all the incoming versions of the variable to create a new name
1225 for it.  For instance,
1227 @smallexample
1228 if (...)
1229   a_1 = 5;
1230 else if (...)
1231   a_2 = 2;
1232 else
1233   a_3 = 13;
1235 # a_4 = PHI <a_1, a_2, a_3>
1236 return a_4;
1237 @end smallexample
1239 Since it is not possible to determine which of the three branches
1240 will be taken at runtime, we don't know which of @code{a_1},
1241 @code{a_2} or @code{a_3} to use at the return statement.  So, the
1242 SSA renamer creates a new version @code{a_4} which is assigned
1243 the result of ``merging'' @code{a_1}, @code{a_2} and @code{a_3}.
1244 Hence, PHI nodes mean ``one of these operands.  I don't know
1245 which''.
1247 The following macros can be used to examine PHI nodes
1249 @defmac PHI_RESULT (@var{phi})
1250 Returns the @code{SSA_NAME} created by PHI node @var{phi} (i.e.,
1251 @var{phi}'s LHS)@.
1252 @end defmac
1254 @defmac PHI_NUM_ARGS (@var{phi})
1255 Returns the number of arguments in @var{phi}.  This number is exactly
1256 the number of incoming edges to the basic block holding @var{phi}@.
1257 @end defmac
1259 @defmac PHI_ARG_ELT (@var{phi}, @var{i})
1260 Returns a tuple representing the @var{i}th argument of @var{phi}@.
1261 Each element of this tuple contains an @code{SSA_NAME} @var{var} and
1262 the incoming edge through which @var{var} flows.
1263 @end defmac
1265 @defmac PHI_ARG_EDGE (@var{phi}, @var{i})
1266 Returns the incoming edge for the @var{i}th argument of @var{phi}.
1267 @end defmac
1269 @defmac PHI_ARG_DEF (@var{phi}, @var{i})
1270 Returns the @code{SSA_NAME} for the @var{i}th argument of @var{phi}.
1271 @end defmac
1274 @subsection Preserving the SSA form
1275 @findex update_ssa
1276 @cindex preserving SSA form
1277 Some optimization passes make changes to the function that
1278 invalidate the SSA property.  This can happen when a pass has
1279 added new symbols or changed the program so that variables that
1280 were previously aliased aren't anymore.  Whenever something like this
1281 happens, the affected symbols must be renamed into SSA form again.  
1282 Transformations that emit new code or replicate existing statements
1283 will also need to update the SSA form@.
1285 Since GCC implements two different SSA forms for register and virtual
1286 variables, keeping the SSA form up to date depends on whether you are
1287 updating register or virtual names.  In both cases, the general idea
1288 behind incremental SSA updates is similar: when new SSA names are
1289 created, they typically are meant to replace other existing names in
1290 the program@.
1292 For instance, given the following code:
1294 @smallexample
1295      1  L0:
1296      2  x_1 = PHI (0, x_5)
1297      3  if (x_1 < 10)
1298      4    if (x_1 > 7)
1299      5      y_2 = 0
1300      6    else
1301      7      y_3 = x_1 + x_7
1302      8    endif
1303      9    x_5 = x_1 + 1
1304      10   goto L0;
1305      11 endif
1306 @end smallexample
1308 Suppose that we insert new names @code{x_10} and @code{x_11} (lines
1309 @code{4} and @code{8})@.
1311 @smallexample
1312      1  L0:
1313      2  x_1 = PHI (0, x_5)
1314      3  if (x_1 < 10)
1315      4    x_10 = ...
1316      5    if (x_1 > 7)
1317      6      y_2 = 0
1318      7    else
1319      8      x_11 = ...
1320      9      y_3 = x_1 + x_7
1321      10   endif
1322      11   x_5 = x_1 + 1
1323      12   goto L0;
1324      13 endif
1325 @end smallexample
1327 We want to replace all the uses of @code{x_1} with the new definitions
1328 of @code{x_10} and @code{x_11}.  Note that the only uses that should
1329 be replaced are those at lines @code{5}, @code{9} and @code{11}.
1330 Also, the use of @code{x_7} at line @code{9} should @emph{not} be
1331 replaced (this is why we cannot just mark symbol @code{x} for
1332 renaming)@.
1334 Additionally, we may need to insert a PHI node at line @code{11}
1335 because that is a merge point for @code{x_10} and @code{x_11}.  So the
1336 use of @code{x_1} at line @code{11} will be replaced with the new PHI
1337 node.  The insertion of PHI nodes is optional.  They are not strictly
1338 necessary to preserve the SSA form, and depending on what the caller
1339 inserted, they may not even be useful for the optimizers@.
1341 Updating the SSA form is a two step process.  First, the pass has to
1342 identify which names need to be updated and/or which symbols need to
1343 be renamed into SSA form for the first time.  When new names are
1344 introduced to replace existing names in the program, the mapping
1345 between the old and the new names are registered by calling
1346 @code{register_new_name_mapping} (note that if your pass creates new
1347 code by duplicating basic blocks, the call to @code{tree_duplicate_bb}
1348 will set up the necessary mappings automatically).  On the other hand,
1349 if your pass exposes a new symbol that should be put in SSA form for
1350 the first time, the new symbol should be registered with
1351 @code{mark_sym_for_renaming}.
1353 After the replacement mappings have been registered and new symbols
1354 marked for renaming, a call to @code{update_ssa} makes the registered
1355 changes.  This can be done with an explicit call or by creating
1356 @code{TODO} flags in the @code{tree_opt_pass} structure for your pass.
1357 There are several @code{TODO} flags that control the behavior of
1358 @code{update_ssa}:
1360 @itemize @bullet
1361 @item @code{TODO_update_ssa}.  Update the SSA form inserting PHI nodes
1362       for newly exposed symbols and virtual names marked for updating.
1363       When updating real names, only insert PHI nodes for a real name
1364       @code{O_j} in blocks reached by all the new and old definitions for
1365       @code{O_j}.  If the iterated dominance frontier for @code{O_j}
1366       is not pruned, we may end up inserting PHI nodes in blocks that
1367       have one or more edges with no incoming definition for
1368       @code{O_j}.  This would lead to uninitialized warnings for
1369       @code{O_j}'s symbol@.
1371 @item @code{TODO_update_ssa_no_phi}.  Update the SSA form without
1372       inserting any new PHI nodes at all.  This is used by passes that
1373       have either inserted all the PHI nodes themselves or passes that
1374       need only to patch use-def and def-def chains for virtuals
1375       (e.g., DCE)@.
1378 @item @code{TODO_update_ssa_full_phi}.  Insert PHI nodes everywhere
1379       they are needed.  No pruning of the IDF is done.  This is used
1380       by passes that need the PHI nodes for @code{O_j} even if it
1381       means that some arguments will come from the default definition
1382       of @code{O_j}'s symbol (e.g., @code{pass_linear_transform})@.
1384       WARNING: If you need to use this flag, chances are that your
1385       pass may be doing something wrong.  Inserting PHI nodes for an
1386       old name where not all edges carry a new replacement may lead to
1387       silent codegen errors or spurious uninitialized warnings@.
1389 @item @code{TODO_update_ssa_only_virtuals}.  Passes that update the
1390       SSA form on their own may want to delegate the updating of
1391       virtual names to the generic updater.  Since FUD chains are
1392       easier to maintain, this simplifies the work they need to do.
1393       NOTE: If this flag is used, any OLD->NEW mappings for real names
1394       are explicitly destroyed and only the symbols marked for
1395       renaming are processed@.
1396 @end itemize
1398 @subsection Preserving the virtual SSA form
1399 @cindex preserving virtual SSA form
1401 The virtual SSA form is harder to preserve than the non-virtual SSA form
1402 mainly because the set of virtual operands for a statement may change at
1403 what some would consider unexpected times.  In general, any time you
1404 have modified a statement that has virtual operands, you should verify
1405 whether the list of virtual operands has changed, and if so, mark the
1406 newly exposed symbols by calling @code{mark_new_vars_to_rename}.
1408 There is one additional caveat to preserving virtual SSA form.  When the
1409 entire set of virtual operands may be eliminated due to better
1410 disambiguation, a bare SMT will be added to the list of virtual
1411 operands, to signify the non-visible aliases that the are still being
1412 referenced.  If the set of bare SMT's may change,
1413 @code{TODO_update_smt_usage} should be added to the todo flags.
1415 With the current pruning code, this can only occur when constants are
1416 propagated into array references that were previously non-constant, or
1417 address expressions are propagated into their uses.
1419 @subsection Examining @code{SSA_NAME} nodes
1420 @cindex examining SSA_NAMEs
1422 The following macros can be used to examine @code{SSA_NAME} nodes
1424 @defmac SSA_NAME_DEF_STMT (@var{var})
1425 Returns the statement @var{s} that creates the @code{SSA_NAME}
1426 @var{var}.  If @var{s} is an empty statement (i.e., @code{IS_EMPTY_STMT
1427 (@var{s})} returns @code{true}), it means that the first reference to
1428 this variable is a USE or a VUSE@.
1429 @end defmac
1431 @defmac SSA_NAME_VERSION (@var{var})
1432 Returns the version number of the @code{SSA_NAME} object @var{var}.
1433 @end defmac
1436 @subsection Walking use-def chains
1438 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_use_def_chains (@var{var}, @var{fn}, @var{data})
1440 Walks use-def chains starting at the @code{SSA_NAME} node @var{var}.
1441 Calls function @var{fn} at each reaching definition found.  Function
1442 @var{FN} takes three arguments: @var{var}, its defining statement
1443 (@var{def_stmt}) and a generic pointer to whatever state information
1444 that @var{fn} may want to maintain (@var{data}).  Function @var{fn} is
1445 able to stop the walk by returning @code{true}, otherwise in order to
1446 continue the walk, @var{fn} should return @code{false}.
1448 Note, that if @var{def_stmt} is a @code{PHI} node, the semantics are
1449 slightly different.  For each argument @var{arg} of the PHI node, this
1450 function will:
1452 @enumerate
1453 @item   Walk the use-def chains for @var{arg}.
1454 @item   Call @code{FN (@var{arg}, @var{phi}, @var{data})}.
1455 @end enumerate
1457 Note how the first argument to @var{fn} is no longer the original
1458 variable @var{var}, but the PHI argument currently being examined.
1459 If @var{fn} wants to get at @var{var}, it should call
1460 @code{PHI_RESULT} (@var{phi}).
1461 @end deftypefn
1463 @subsection Walking the dominator tree
1465 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_dominator_tree (@var{walk_data}, @var{bb})
1467 This function walks the dominator tree for the current CFG calling a
1468 set of callback functions defined in @var{struct dom_walk_data} in
1469 @file{domwalk.h}.  The call back functions you need to define give you
1470 hooks to execute custom code at various points during traversal:
1472 @enumerate
1473 @item Once to initialize any local data needed while processing
1474       @var{bb} and its children.  This local data is pushed into an
1475       internal stack which is automatically pushed and popped as the
1476       walker traverses the dominator tree.
1478 @item Once before traversing all the statements in the @var{bb}.
1480 @item Once for every statement inside @var{bb}.
1482 @item Once after traversing all the statements and before recursing
1483       into @var{bb}'s dominator children.
1485 @item It then recurses into all the dominator children of @var{bb}.
1487 @item After recursing into all the dominator children of @var{bb} it
1488       can, optionally, traverse every statement in @var{bb} again
1489       (i.e., repeating steps 2 and 3).
1491 @item Once after walking the statements in @var{bb} and @var{bb}'s
1492       dominator children.  At this stage, the block local data stack
1493       is popped.
1494 @end enumerate
1495 @end deftypefn
1497 @node Alias analysis
1498 @section Alias analysis
1499 @cindex alias
1500 @cindex flow-sensitive alias analysis
1501 @cindex flow-insensitive alias analysis
1503 Alias analysis proceeds in 4 main phases:
1505 @enumerate
1506 @item   Structural alias analysis.
1508 This phase walks the types for structure variables, and determines which
1509 of the fields can overlap using offset and size of each field.  For each
1510 field, a ``subvariable'' called a ``Structure field tag'' (SFT)@ is
1511 created, which represents that field as a separate variable.  All
1512 accesses that could possibly overlap with a given field will have
1513 virtual operands for the SFT of that field.
1515 @smallexample
1516 struct foo
1518   int a;
1519   int b;
1521 struct foo temp;
1522 int bar (void)
1524   int tmp1, tmp2, tmp3;
1525   SFT.0_2 = V_MUST_DEF <SFT.0_1>
1526   temp.a = 5;
1527   SFT.1_4 = V_MUST_DEF <SFT.1_3>
1528   temp.b = 6;
1529   
1530   VUSE <SFT.1_4>
1531   tmp1_5 = temp.b;
1532   VUSE <SFT.0_2>
1533   tmp2_6 = temp.a;
1535   tmp3_7 = tmp1_5 + tmp2_6;
1536   return tmp3_7;
1538 @end smallexample
1540 If you copy the symbol tag for a variable for some reason, you probably
1541 also want to copy the subvariables for that variable.
1543 @item   Points-to and escape analysis.
1545 This phase walks the use-def chains in the SSA web looking for
1546 three things:
1548         @itemize @bullet
1549         @item   Assignments of the form @code{P_i = &VAR}
1550         @item   Assignments of the form P_i = malloc()
1551         @item   Pointers and ADDR_EXPR that escape the current function.
1552         @end itemize
1554 The concept of `escaping' is the same one used in the Java world.
1555 When a pointer or an ADDR_EXPR escapes, it means that it has been
1556 exposed outside of the current function.  So, assignment to
1557 global variables, function arguments and returning a pointer are
1558 all escape sites.
1560 This is where we are currently limited.  Since not everything is
1561 renamed into SSA, we lose track of escape properties when a
1562 pointer is stashed inside a field in a structure, for instance.
1563 In those cases, we are assuming that the pointer does escape.
1565 We use escape analysis to determine whether a variable is
1566 call-clobbered.  Simply put, if an ADDR_EXPR escapes, then the
1567 variable is call-clobbered.  If a pointer P_i escapes, then all
1568 the variables pointed-to by P_i (and its memory tag) also escape.
1570 @item   Compute flow-sensitive aliases
1572 We have two classes of memory tags.  Memory tags associated with
1573 the pointed-to data type of the pointers in the program.  These
1574 tags are called ``symbol memory tag'' (SMT)@.  The other class are
1575 those associated with SSA_NAMEs, called ``name memory tag'' (NMT)@.
1576 The basic idea is that when adding operands for an INDIRECT_REF
1577 *P_i, we will first check whether P_i has a name tag, if it does
1578 we use it, because that will have more precise aliasing
1579 information.  Otherwise, we use the standard symbol tag.
1581 In this phase, we go through all the pointers we found in
1582 points-to analysis and create alias sets for the name memory tags
1583 associated with each pointer P_i.  If P_i escapes, we mark
1584 call-clobbered the variables it points to and its tag.
1587 @item   Compute flow-insensitive aliases
1589 This pass will compare the alias set of every symbol memory tag and
1590 every addressable variable found in the program.  Given a symbol
1591 memory tag SMT and an addressable variable V@.  If the alias sets
1592 of SMT and V conflict (as computed by may_alias_p), then V is
1593 marked as an alias tag and added to the alias set of SMT@.
1594 @end enumerate
1596 For instance, consider the following function:
1598 @smallexample
1599 foo (int i)
1601   int *p, *q, a, b;
1603   if (i > 10)
1604     p = &a;
1605   else
1606     q = &b;
1608   *p = 3;
1609   *q = 5;
1610   a = b + 2;
1611   return *p;
1613 @end smallexample
1615 After aliasing analysis has finished, the symbol memory tag for
1616 pointer @code{p} will have two aliases, namely variables @code{a} and
1617 @code{b}.
1618 Every time pointer @code{p} is dereferenced, we want to mark the
1619 operation as a potential reference to @code{a} and @code{b}.
1621 @smallexample
1622 foo (int i)
1624   int *p, a, b;
1626   if (i_2 > 10)
1627     p_4 = &a;
1628   else
1629     p_6 = &b;
1630   # p_1 = PHI <p_4(1), p_6(2)>;
1632   # a_7 = V_MAY_DEF <a_3>;
1633   # b_8 = V_MAY_DEF <b_5>;
1634   *p_1 = 3;
1636   # a_9 = V_MAY_DEF <a_7>
1637   # VUSE <b_8>
1638   a_9 = b_8 + 2;
1640   # VUSE <a_9>;
1641   # VUSE <b_8>;
1642   return *p_1;
1644 @end smallexample
1646 In certain cases, the list of may aliases for a pointer may grow
1647 too large.  This may cause an explosion in the number of virtual
1648 operands inserted in the code.  Resulting in increased memory
1649 consumption and compilation time.
1651 When the number of virtual operands needed to represent aliased
1652 loads and stores grows too large (configurable with @option{--param
1653 max-aliased-vops}), alias sets are grouped to avoid severe
1654 compile-time slow downs and memory consumption.  The alias
1655 grouping heuristic proceeds as follows:
1657 @enumerate
1658 @item Sort the list of pointers in decreasing number of contributed
1659 virtual operands.
1661 @item Take the first pointer from the list and reverse the role
1662 of the memory tag and its aliases.  Usually, whenever an
1663 aliased variable Vi is found to alias with a memory tag
1664 T, we add Vi to the may-aliases set for T@.  Meaning that
1665 after alias analysis, we will have:
1667 @smallexample
1668 may-aliases(T) = @{ V1, V2, V3, ..., Vn @}
1669 @end smallexample
1671 This means that every statement that references T, will get
1672 @code{n} virtual operands for each of the Vi tags.  But, when
1673 alias grouping is enabled, we make T an alias tag and add it
1674 to the alias set of all the Vi variables:
1676 @smallexample
1677 may-aliases(V1) = @{ T @}
1678 may-aliases(V2) = @{ T @}
1680 may-aliases(Vn) = @{ T @}
1681 @end smallexample
1683 This has two effects: (a) statements referencing T will only get
1684 a single virtual operand, and, (b) all the variables Vi will now
1685 appear to alias each other.  So, we lose alias precision to
1686 improve compile time.  But, in theory, a program with such a high
1687 level of aliasing should not be very optimizable in the first
1688 place.
1690 @item Since variables may be in the alias set of more than one
1691 memory tag, the grouping done in step (2) needs to be extended
1692 to all the memory tags that have a non-empty intersection with
1693 the may-aliases set of tag T@.  For instance, if we originally
1694 had these may-aliases sets:
1696 @smallexample
1697 may-aliases(T) = @{ V1, V2, V3 @}
1698 may-aliases(R) = @{ V2, V4 @}
1699 @end smallexample
1701 In step (2) we would have reverted the aliases for T as:
1703 @smallexample
1704 may-aliases(V1) = @{ T @}
1705 may-aliases(V2) = @{ T @}
1706 may-aliases(V3) = @{ T @}
1707 @end smallexample
1709 But note that now V2 is no longer aliased with R@.  We could
1710 add R to may-aliases(V2), but we are in the process of
1711 grouping aliases to reduce virtual operands so what we do is
1712 add V4 to the grouping to obtain:
1714 @smallexample
1715 may-aliases(V1) = @{ T @}
1716 may-aliases(V2) = @{ T @}
1717 may-aliases(V3) = @{ T @}
1718 may-aliases(V4) = @{ T @}
1719 @end smallexample
1721 @item If the total number of virtual operands due to aliasing is
1722 still above the threshold set by max-alias-vops, go back to (2).
1723 @end enumerate