hppa: Revise REG+D address support to allow long displacements before reload
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1 @c Copyright (C) 2010-2023 Free Software Foundation, Inc.
2 @c This is part of the GCC manual.
3 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
4 @c Contributed by Jan Hubicka <jh@suse.cz> and
5 @c Diego Novillo <dnovillo@google.com>
7 @node LTO
8 @chapter Link Time Optimization
9 @cindex lto
10 @cindex whopr
11 @cindex wpa
12 @cindex ltrans
14 Link Time Optimization (LTO) gives GCC the capability of
15 dumping its internal representation (GIMPLE) to disk,
16 so that all the different compilation units that make up
17 a single executable can be optimized as a single module.
18 This expands the scope of inter-procedural optimizations
19 to encompass the whole program (or, rather, everything
20 that is visible at link time).
22 @menu
23 * LTO Overview::            Overview of LTO.
24 * LTO object file layout::  LTO file sections in ELF.
25 * IPA::                     Using summary information in IPA passes.
26 * WHOPR::                   Whole program assumptions,
27                             linker plugin and symbol visibilities.
28 * Internal flags::          Internal flags controlling @code{lto1}.
29 @end menu
31 @node LTO Overview
32 @section Design Overview
34 Link time optimization is implemented as a GCC front end for a
35 bytecode representation of GIMPLE that is emitted in special sections
36 of @code{.o} files.  Currently, LTO support is enabled in most
37 ELF-based systems, as well as darwin, cygwin and mingw systems.
39 By default, object files generated with LTO support contain only GIMPLE
40 bytecode.  Such objects are called ``slim'', and they require that
41 tools like @code{ar} and @code{nm} understand symbol tables of LTO
42 sections.  For most targets these tools have been extended to use the
43 plugin infrastructure, so GCC can support ``slim'' objects consisting
44 of the intermediate code alone.
46 GIMPLE bytecode could also be saved alongside final object code if
47 the @option{-ffat-lto-objects} option is passed, or if no plugin support
48 is detected for @code{ar} and @code{nm} when GCC is configured.  It makes
49 the object files generated with LTO support larger than regular object
50 files.  This ``fat'' object format allows to ship one set of fat
51 objects which could be used both for development and the production of
52 optimized builds.  A, perhaps surprising, side effect of this feature
53 is that any mistake in the toolchain leads to LTO information not
54 being used (e.g.@: an older @code{libtool} calling @code{ld} directly).
55 This is both an advantage, as the system is more robust, and a
56 disadvantage, as the user is not informed that the optimization has
57 been disabled.
59 At the highest level, LTO splits the compiler in two.  The first half
60 (the ``writer'') produces a streaming representation of all the
61 internal data structures needed to optimize and generate code.  This
62 includes declarations, types, the callgraph and the GIMPLE representation
63 of function bodies.
65 When @option{-flto} is given during compilation of a source file, the
66 pass manager executes all the passes in @code{all_lto_gen_passes}.
67 Currently, this phase is composed of two IPA passes:
69 @itemize @bullet
70 @item @code{pass_ipa_lto_gimple_out}
71 This pass executes the function @code{lto_output} in
72 @file{lto-streamer-out.cc}, which traverses the call graph encoding
73 every reachable declaration, type and function.  This generates a
74 memory representation of all the file sections described below.
76 @item @code{pass_ipa_lto_finish_out}
77 This pass executes the function @code{produce_asm_for_decls} in
78 @file{lto-streamer-out.cc}, which takes the memory image built in the
79 previous pass and encodes it in the corresponding ELF file sections.
80 @end itemize
82 The second half of LTO support is the ``reader''.  This is implemented
83 as the GCC front end @file{lto1} in @file{lto/lto.cc}.  When
84 @file{collect2} detects a link set of @code{.o}/@code{.a} files with
85 LTO information and the @option{-flto} is enabled, it invokes
86 @file{lto1} which reads the set of files and aggregates them into a
87 single translation unit for optimization.  The main entry point for
88 the reader is @file{lto/lto.cc}:@code{lto_main}.
90 @subsection LTO modes of operation
92 One of the main goals of the GCC link-time infrastructure was to allow
93 effective compilation of large programs.  For this reason GCC implements two
94 link-time compilation modes.
96 @enumerate
97 @item   @emph{LTO mode}, in which the whole program is read into the
98 compiler at link-time and optimized in a similar way as if it
99 were a single source-level compilation unit.
101 @item   @emph{WHOPR or partitioned mode}, designed to utilize multiple
102 CPUs and/or a distributed compilation environment to quickly link
103 large applications.  WHOPR stands for WHOle Program optimizeR (not to
104 be confused with the semantics of @option{-fwhole-program}).  It
105 partitions the aggregated callgraph from many different @code{.o}
106 files and distributes the compilation of the sub-graphs to different
107 CPUs.
109 Note that distributed compilation is not implemented yet, but since
110 the parallelism is facilitated via generating a @code{Makefile}, it
111 would be easy to implement.
112 @end enumerate
114 WHOPR splits LTO into three main stages:
115 @enumerate
116 @item Local generation (LGEN)
117 This stage executes in parallel.  Every file in the program is compiled
118 into the intermediate language and packaged together with the local
119 call-graph and summary information.  This stage is the same for both
120 the LTO and WHOPR compilation mode.
122 @item Whole Program Analysis (WPA)
123 WPA is performed sequentially.  The global call-graph is generated, and
124 a global analysis procedure makes transformation decisions.  The global
125 call-graph is partitioned to facilitate parallel optimization during
126 phase 3.  The results of the WPA stage are stored into new object files
127 which contain the partitions of program expressed in the intermediate
128 language and the optimization decisions.
130 @item Local transformations (LTRANS)
131 This stage executes in parallel.  All the decisions made during phase 2
132 are implemented locally in each partitioned object file, and the final
133 object code is generated.  Optimizations which cannot be decided
134 efficiently during the phase 2 may be performed on the local
135 call-graph partitions.
136 @end enumerate
138 WHOPR can be seen as an extension of the usual LTO mode of
139 compilation.  In LTO, WPA and LTRANS are executed within a single
140 execution of the compiler, after the whole program has been read into
141 memory.
143 When compiling in WHOPR mode, the callgraph is partitioned during
144 the WPA stage.  The whole program is split into a given number of
145 partitions of roughly the same size.  The compiler tries to
146 minimize the number of references which cross partition boundaries.
147 The main advantage of WHOPR is to allow the parallel execution of
148 LTRANS stages, which are the most time-consuming part of the
149 compilation process.  Additionally, it avoids the need to load the
150 whole program into memory.
153 @node LTO object file layout
154 @section LTO file sections
156 LTO information is stored in several ELF sections inside object files.
157 Data structures and enum codes for sections are defined in
158 @file{lto-streamer.h}.
160 These sections are emitted from @file{lto-streamer-out.cc} and mapped
161 in all at once from @file{lto/lto.cc}:@code{lto_file_read}.  The
162 individual functions dealing with the reading/writing of each section
163 are described below.
165 @itemize @bullet
166 @item Command line options (@code{.gnu.lto_.opts})
168 This section contains the command line options used to generate the
169 object files.  This is used at link time to determine the optimization
170 level and other settings when they are not explicitly specified at the
171 linker command line.
173 Most options are recorded at a per function level and their setting
174 restored when processing the functions at link time.  Global options
175 are composed from options specified at compile time and link time.
176 How exactly they are combined or mismatches diagnosed is implemented in
177 @file{lto-wrapper.cc}:@code{find_and_merge_options}.
180 @item Symbol table (@code{.gnu.lto_.symtab})
182 This table replaces the ELF symbol table for functions and variables
183 represented in the LTO IL.  Symbols used and exported by the optimized
184 assembly code of ``fat'' objects might not match the ones used and
185 exported by the intermediate code.  This table is necessary because
186 the intermediate code is less optimized and thus requires a separate
187 symbol table.
189 Additionally, the binary code in the ``fat'' object will lack a call
190 to a function, since the call was optimized out at compilation time
191 after the intermediate language was streamed out.  In some special
192 cases, the same optimization may not happen during link-time
193 optimization.  This would lead to an undefined symbol if only one
194 symbol table was used.
196 The symbol table is emitted in
197 @file{lto-streamer-out.cc}:@code{produce_symtab}.
200 @item Global declarations and types (@code{.gnu.lto_.decls})
202 This section contains an intermediate language dump of all
203 declarations and types required to represent the callgraph, static
204 variables and top-level debug info.
206 The contents of this section are emitted in
207 @file{lto-streamer-out.cc}:@code{produce_asm_for_decls}.  Types and
208 symbols are emitted in a topological order that preserves the sharing
209 of pointers when the file is read back in
210 (@file{lto.cc}:@code{read_cgraph_and_symbols}).
213 @item The callgraph (@code{.gnu.lto_.cgraph})
215 This section contains the basic data structure used by the GCC
216 inter-procedural optimization infrastructure.  This section stores an
217 annotated multi-graph which represents the functions and call sites as
218 well as the variables, aliases and top-level @code{asm} statements.
220 This section is emitted in
221 @file{lto-streamer-out.cc}:@code{output_cgraph} and read in
222 @file{lto-cgraph.cc}:@code{input_cgraph}.
225 @item IPA references (@code{.gnu.lto_.refs})
227 This section contains references between function and static
228 variables.  It is emitted by @file{lto-cgraph.cc}:@code{output_refs}
229 and read by @file{lto-cgraph.cc}:@code{input_refs}.
232 @item Function bodies (@code{.gnu.lto_.function_body.<name>})
234 This section contains function bodies in the intermediate language
235 representation.  Every function body is in a separate section to allow
236 copying of the section independently to different object files or
237 reading the function on demand.
239 Functions are emitted in
240 @file{lto-streamer-out.cc}:@code{output_function} and read in
241 @file{lto-streamer-in.cc}:@code{input_function}.
244 @item Static variable initializers (@code{.gnu.lto_.vars})
246 This section contains all the symbols in the global variable pool.  It
247 is emitted by @file{lto-cgraph.cc}:@code{output_varpool} and read in
248 @file{lto-cgraph.cc}:@code{input_cgraph}.
250 @item Summaries and optimization summaries used by IPA passes
251 (@code{.gnu.lto_.<xxx>}, where @code{<xxx>} is one of @code{jmpfuncs},
252 @code{pureconst} or @code{reference})
254 These sections are used by IPA passes that need to emit summary
255 information during LTO generation to be read and aggregated at
256 link time.  Each pass is responsible for implementing two pass manager
257 hooks: one for writing the summary and another for reading it in.  The
258 format of these sections is entirely up to each individual pass.  The
259 only requirement is that the writer and reader hooks agree on the
260 format.
261 @end itemize
264 @node IPA
265 @section Using summary information in IPA passes
267 Programs are represented internally as a @emph{callgraph} (a
268 multi-graph where nodes are functions and edges are call sites)
269 and a @emph{varpool} (a list of static and external variables in
270 the program).
272 The inter-procedural optimization is organized as a sequence of
273 individual passes, which operate on the callgraph and the
274 varpool.  To make the implementation of WHOPR possible, every
275 inter-procedural optimization pass is split into several stages
276 that are executed at different times during WHOPR compilation:
278 @itemize @bullet
279 @item LGEN time
280 @enumerate
281 @item @emph{Generate summary} (@code{generate_summary} in
282 @code{struct ipa_opt_pass_d}).  This stage analyzes every function
283 body and variable initializer is examined and stores relevant
284 information into a pass-specific data structure.
286 @item @emph{Write summary} (@code{write_summary} in
287 @code{struct ipa_opt_pass_d}).  This stage writes all the
288 pass-specific information generated by @code{generate_summary}.
289 Summaries go into their own @code{LTO_section_*} sections that
290 have to be declared in @file{lto-streamer.h}:@code{enum
291 lto_section_type}.  A new section is created by calling
292 @code{create_output_block} and data can be written using the
293 @code{lto_output_*} routines.
294 @end enumerate
296 @item WPA time
297 @enumerate
298 @item @emph{Read summary} (@code{read_summary} in
299 @code{struct ipa_opt_pass_d}).  This stage reads all the
300 pass-specific information in exactly the same order that it was
301 written by @code{write_summary}.
303 @item @emph{Execute} (@code{execute} in @code{struct
304 opt_pass}).  This performs inter-procedural propagation.  This
305 must be done without actual access to the individual function
306 bodies or variable initializers.  Typically, this results in a
307 transitive closure operation over the summary information of all
308 the nodes in the callgraph.
310 @item @emph{Write optimization summary}
311 (@code{write_optimization_summary} in @code{struct
312 ipa_opt_pass_d}).  This writes the result of the inter-procedural
313 propagation into the object file.  This can use the same data
314 structures and helper routines used in @code{write_summary}.
315 @end enumerate
317 @item LTRANS time
318 @enumerate
319 @item @emph{Read optimization summary}
320 (@code{read_optimization_summary} in @code{struct
321 ipa_opt_pass_d}).  The counterpart to
322 @code{write_optimization_summary}.  This reads the interprocedural
323 optimization decisions in exactly the same format emitted by
324 @code{write_optimization_summary}.
326 @item @emph{Transform} (@code{function_transform} and
327 @code{variable_transform} in @code{struct ipa_opt_pass_d}).
328 The actual function bodies and variable initializers are updated
329 based on the information passed down from the @emph{Execute} stage.
330 @end enumerate
331 @end itemize
333 The implementation of the inter-procedural passes are shared
334 between LTO, WHOPR and classic non-LTO compilation.
336 @itemize
337 @item During the traditional file-by-file mode every pass executes its
338 own @emph{Generate summary}, @emph{Execute}, and @emph{Transform}
339 stages within the single execution context of the compiler.
341 @item In LTO compilation mode, every pass uses @emph{Generate
342 summary} and @emph{Write summary} stages at compilation time,
343 while the @emph{Read summary}, @emph{Execute}, and
344 @emph{Transform} stages are executed at link time.
346 @item In WHOPR mode all stages are used.
347 @end itemize
349 To simplify development, the GCC pass manager differentiates
350 between normal inter-procedural passes (@pxref{Regular IPA passes}),
351 small inter-procedural passes (@pxref{Small IPA passes})
352 and late inter-procedural passes (@pxref{Late IPA passes}).
353 A small or late IPA pass (@code{SIMPLE_IPA_PASS}) does
354 everything at once and thus cannot be executed during WPA in
355 WHOPR mode.  It defines only the @emph{Execute} stage and during
356 this stage it accesses and modifies the function bodies.  Such
357 passes are useful for optimization at LGEN or LTRANS time and are
358 used, for example, to implement early optimization before writing
359 object files.  The simple inter-procedural passes can also be used
360 for easier prototyping and development of a new inter-procedural
361 pass.
364 @subsection Virtual clones
366 One of the main challenges of introducing the WHOPR compilation
367 mode was addressing the interactions between optimization passes.
368 In LTO compilation mode, the passes are executed in a sequence,
369 each of which consists of analysis (or @emph{Generate summary}),
370 propagation (or @emph{Execute}) and @emph{Transform} stages.
371 Once the work of one pass is finished, the next pass sees the
372 updated program representation and can execute.  This makes the
373 individual passes dependent on each other.
375 In WHOPR mode all passes first execute their @emph{Generate
376 summary} stage.  Then summary writing marks the end of the LGEN
377 stage.  At WPA time,
378 the summaries are read back into memory and all passes run the
379 @emph{Execute} stage.  Optimization summaries are streamed and
380 sent to LTRANS, where all the passes execute the @emph{Transform}
381 stage.
383 Most optimization passes split naturally into analysis,
384 propagation and transformation stages.  But some do not.  The
385 main problem arises when one pass performs changes and the
386 following pass gets confused by seeing different callgraphs
387 between the @emph{Transform} stage and the @emph{Generate summary}
388 or @emph{Execute} stage.  This means that the passes are required
389 to communicate their decisions with each other.
391 To facilitate this communication, the GCC callgraph
392 infrastructure implements @emph{virtual clones}, a method of
393 representing the changes performed by the optimization passes in
394 the callgraph without needing to update function bodies.
396 A @emph{virtual clone} in the callgraph is a function that has no
397 associated body, just a description of how to create its body based
398 on a different function (which itself may be a virtual clone).
400 The description of function modifications includes adjustments to
401 the function's signature (which allows, for example, removing or
402 adding function arguments), substitutions to perform on the
403 function body, and, for inlined functions, a pointer to the
404 function that it will be inlined into.
406 It is also possible to redirect any edge of the callgraph from a
407 function to its virtual clone.  This implies updating of the call
408 site to adjust for the new function signature.
410 Most of the transformations performed by inter-procedural
411 optimizations can be represented via virtual clones.  For
412 instance, a constant propagation pass can produce a virtual clone
413 of the function which replaces one of its arguments by a
414 constant.  The inliner can represent its decisions by producing a
415 clone of a function whose body will be later integrated into
416 a given function.
418 Using @emph{virtual clones}, the program can be easily updated
419 during the @emph{Execute} stage, solving most of pass interactions
420 problems that would otherwise occur during @emph{Transform}.
422 Virtual clones are later materialized in the LTRANS stage and
423 turned into real functions.  Passes executed after the virtual
424 clone were introduced also perform their @emph{Transform} stage
425 on new functions, so for a pass there is no significant
426 difference between operating on a real function or a virtual
427 clone introduced before its @emph{Execute} stage.
429 Optimization passes then work on virtual clones introduced before
430 their @emph{Execute} stage as if they were real functions.  The
431 only difference is that clones are not visible during the
432 @emph{Generate Summary} stage.
434 To keep function summaries updated, the callgraph interface
435 allows an optimizer to register a callback that is called every
436 time a new clone is introduced as well as when the actual
437 function or variable is generated or when a function or variable
438 is removed.  These hooks are registered in the @emph{Generate
439 summary} stage and allow the pass to keep its information intact
440 until the @emph{Execute} stage.  The same hooks can also be
441 registered during the @emph{Execute} stage to keep the
442 optimization summaries updated for the @emph{Transform} stage.
444 @subsection IPA references
446 GCC represents IPA references in the callgraph.  For a function
447 or variable @code{A}, the @emph{IPA reference} is a list of all
448 locations where the address of @code{A} is taken and, when
449 @code{A} is a variable, a list of all direct stores and reads
450 to/from @code{A}.  References represent an oriented multi-graph on
451 the union of nodes of the callgraph and the varpool.  See
452 @file{ipa-reference.cc}:@code{ipa_reference_write_optimization_summary}
454 @file{ipa-reference.cc}:@code{ipa_reference_read_optimization_summary}
455 for details.
457 @subsection Jump functions
458 Suppose that an optimization pass sees a function @code{A} and it
459 knows the values of (some of) its arguments.  The @emph{jump
460 function} describes the value of a parameter of a given function
461 call in function @code{A} based on this knowledge.
463 Jump functions are used by several optimizations, such as the
464 inter-procedural constant propagation pass and the
465 devirtualization pass.  The inliner also uses jump functions to
466 perform inlining of callbacks.
468 @node WHOPR
469 @section Whole program assumptions, linker plugin and symbol visibilities
471 Link-time optimization gives relatively minor benefits when used
472 alone.  The problem is that propagation of inter-procedural
473 information does not work well across functions and variables
474 that are called or referenced by other compilation units (such as
475 from a dynamically linked library).  We say that such functions
476 and variables are @emph{externally visible}.
478 To make the situation even more difficult, many applications
479 organize themselves as a set of shared libraries, and the default
480 ELF visibility rules allow one to overwrite any externally
481 visible symbol with a different symbol at runtime.  This
482 basically disables any optimizations across such functions and
483 variables, because the compiler cannot be sure that the function
484 body it is seeing is the same function body that will be used at
485 runtime.  Any function or variable not declared @code{static} in
486 the sources degrades the quality of inter-procedural
487 optimization.
489 To avoid this problem the compiler must assume that it sees the
490 whole program when doing link-time optimization.  Strictly
491 speaking, the whole program is rarely visible even at link-time.
492 Standard system libraries are usually linked dynamically or not
493 provided with the link-time information.  In GCC, the whole
494 program option (@option{-fwhole-program}) asserts that every
495 function and variable defined in the current compilation
496 unit is static, except for function @code{main} (note: at
497 link time, the current unit is the union of all objects compiled
498 with LTO).  Since some functions and variables need to
499 be referenced externally, for example by another DSO or from an
500 assembler file, GCC also provides the function and variable
501 attribute @code{externally_visible} which can be used to disable
502 the effect of @option{-fwhole-program} on a specific symbol.
504 The whole program mode assumptions are slightly more complex in
505 C++, where inline functions in headers are put into @emph{COMDAT}
506 sections.  COMDAT function and variables can be defined by
507 multiple object files and their bodies are unified at link-time
508 and dynamic link-time.  COMDAT functions are changed to local only
509 when their address is not taken and thus un-sharing them with a
510 library is not harmful.  COMDAT variables always remain externally
511 visible, however for readonly variables it is assumed that their
512 initializers cannot be overwritten by a different value.
514 GCC provides the function and variable attribute
515 @code{visibility} that can be used to specify the visibility of
516 externally visible symbols (or alternatively an
517 @option{-fdefault-visibility} command line option).  ELF defines
518 the @code{default}, @code{protected}, @code{hidden} and
519 @code{internal} visibilities.
521 The most commonly used is visibility is @code{hidden}.  It
522 specifies that the symbol cannot be referenced from outside of
523 the current shared library.  Unfortunately, this information
524 cannot be used directly by the link-time optimization in the
525 compiler since the whole shared library also might contain
526 non-LTO objects and those are not visible to the compiler.
528 GCC solves this problem using linker plugins.  A @emph{linker
529 plugin} is an interface to the linker that allows an external
530 program to claim the ownership of a given object file.  The linker
531 then performs the linking procedure by querying the plugin about
532 the symbol table of the claimed objects and once the linking
533 decisions are complete, the plugin is allowed to provide the
534 final object file before the actual linking is made.  The linker
535 plugin obtains the symbol resolution information which specifies
536 which symbols provided by the claimed objects are bound from the
537 rest of a binary being linked.
539 GCC is designed to be independent of the rest of the toolchain
540 and aims to support linkers without plugin support.  For this
541 reason it does not use the linker plugin by default.  Instead,
542 the object files are examined by @command{collect2} before being
543 passed to the linker and objects found to have LTO sections are
544 passed to @command{lto1} first.  This mode does not work for
545 library archives.  The decision on what object files from the
546 archive are needed depends on the actual linking and thus GCC
547 would have to implement the linker itself.  The resolution
548 information is missing too and thus GCC needs to make an educated
549 guess based on @option{-fwhole-program}.  Without the linker
550 plugin GCC also assumes that symbols are declared @code{hidden}
551 and not referred by non-LTO code by default.
553 @node Internal flags
554 @section Internal flags controlling @code{lto1}
556 The following flags are passed into @command{lto1} and are not
557 meant to be used directly from the command line.
559 @itemize
560 @opindex fwpa
561 @item -fwpa
562 This option runs the serial part of the link-time optimizer
563 performing the inter-procedural propagation (WPA mode).  The
564 compiler reads in summary information from all inputs and
565 performs an analysis based on summary information only.  It
566 generates object files for subsequent runs of the link-time
567 optimizer where individual object files are optimized using both
568 summary information from the WPA mode and the actual function
569 bodies.  It then drives the LTRANS phase.
571 @opindex fltrans
572 @item -fltrans
573 This option runs the link-time optimizer in the
574 local-transformation (LTRANS) mode, which reads in output from a
575 previous run of the LTO in WPA mode.  In the LTRANS mode, LTO
576 optimizes an object and produces the final assembly.
578 @opindex fltrans-output-list
579 @item -fltrans-output-list=@var{file}
580 This option specifies a file to which the names of LTRANS output
581 files are written.  This option is only meaningful in conjunction
582 with @option{-fwpa}.
584 @opindex fresolution
585 @item -fresolution=@var{file}
586 This option specifies the linker resolution file.  This option is
587 only meaningful in conjunction with @option{-fwpa} and as option
588 to pass through to the LTO linker plugin.
589 @end itemize