* df-scan.c (df_collection_rec): Adjust.
[official-gcc.git] / gcc / doc / passes.texi
blobd8e4315d74c8cf2e07332c5777b0bf3cb5c41e66
1 @c markers: BUG TODO
3 @c Copyright (C) 1988-2013 Free Software Foundation, Inc.
4 @c This is part of the GCC manual.
5 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
7 @node Passes
8 @chapter Passes and Files of the Compiler
9 @cindex passes and files of the compiler
10 @cindex files and passes of the compiler
11 @cindex compiler passes and files
13 This chapter is dedicated to giving an overview of the optimization and
14 code generation passes of the compiler.  In the process, it describes
15 some of the language front end interface, though this description is no
16 where near complete.
18 @menu
19 * Parsing pass::         The language front end turns text into bits.
20 * Cilk Plus Transformation:: Transform Cilk Plus Code to equivalent C/C++.
21 * Gimplification pass::  The bits are turned into something we can optimize.
22 * Pass manager::         Sequencing the optimization passes.
23 * Tree SSA passes::      Optimizations on a high-level representation.
24 * RTL passes::           Optimizations on a low-level representation.
25 @end menu
27 @node Parsing pass
28 @section Parsing pass
29 @cindex GENERIC
30 @findex lang_hooks.parse_file
31 The language front end is invoked only once, via
32 @code{lang_hooks.parse_file}, to parse the entire input.  The language
33 front end may use any intermediate language representation deemed
34 appropriate.  The C front end uses GENERIC trees (@pxref{GENERIC}), plus
35 a double handful of language specific tree codes defined in
36 @file{c-common.def}.  The Fortran front end uses a completely different
37 private representation.
39 @cindex GIMPLE
40 @cindex gimplification
41 @cindex gimplifier
42 @cindex language-independent intermediate representation
43 @cindex intermediate representation lowering
44 @cindex lowering, language-dependent intermediate representation
45 At some point the front end must translate the representation used in the
46 front end to a representation understood by the language-independent
47 portions of the compiler.  Current practice takes one of two forms.
48 The C front end manually invokes the gimplifier (@pxref{GIMPLE}) on each function,
49 and uses the gimplifier callbacks to convert the language-specific tree
50 nodes directly to GIMPLE before passing the function off to be compiled.
51 The Fortran front end converts from a private representation to GENERIC,
52 which is later lowered to GIMPLE when the function is compiled.  Which
53 route to choose probably depends on how well GENERIC (plus extensions)
54 can be made to match up with the source language and necessary parsing
55 data structures.
57 BUG: Gimplification must occur before nested function lowering,
58 and nested function lowering must be done by the front end before
59 passing the data off to cgraph.
61 TODO: Cgraph should control nested function lowering.  It would
62 only be invoked when it is certain that the outer-most function
63 is used.
65 TODO: Cgraph needs a gimplify_function callback.  It should be
66 invoked when (1) it is certain that the function is used, (2)
67 warning flags specified by the user require some amount of
68 compilation in order to honor, (3) the language indicates that
69 semantic analysis is not complete until gimplification occurs.
70 Hum@dots{} this sounds overly complicated.  Perhaps we should just
71 have the front end gimplify always; in most cases it's only one
72 function call.
74 The front end needs to pass all function definitions and top level
75 declarations off to the middle-end so that they can be compiled and
76 emitted to the object file.  For a simple procedural language, it is
77 usually most convenient to do this as each top level declaration or
78 definition is seen.  There is also a distinction to be made between
79 generating functional code and generating complete debug information.
80 The only thing that is absolutely required for functional code is that
81 function and data @emph{definitions} be passed to the middle-end.  For
82 complete debug information, function, data and type declarations
83 should all be passed as well.
85 @findex rest_of_decl_compilation
86 @findex rest_of_type_compilation
87 @findex cgraph_finalize_function
88 In any case, the front end needs each complete top-level function or
89 data declaration, and each data definition should be passed to
90 @code{rest_of_decl_compilation}.  Each complete type definition should
91 be passed to @code{rest_of_type_compilation}.  Each function definition
92 should be passed to @code{cgraph_finalize_function}.
94 TODO: I know rest_of_compilation currently has all sorts of
95 RTL generation semantics.  I plan to move all code generation
96 bits (both Tree and RTL) to compile_function.  Should we hide
97 cgraph from the front ends and move back to rest_of_compilation
98 as the official interface?  Possibly we should rename all three
99 interfaces such that the names match in some meaningful way and
100 that is more descriptive than "rest_of".
102 The middle-end will, at its option, emit the function and data
103 definitions immediately or queue them for later processing.
105 @node Cilk Plus Transformation
106 @section Cilk Plus Transformation
107 @cindex CILK_PLUS
109 If Cilk Plus generation (flag @option{-fcilkplus}) is enabled, all the Cilk 
110 Plus code is transformed into equivalent C and C++ functions.  Majority of this 
111 transformation occurs toward the end of the parsing and right before the 
112 gimplification pass.  
114 These are the major components to the Cilk Plus language extension:
115 @itemize @bullet
116 @item Array Notations:
117 During parsing phase, all the array notation specific information is stored in 
118 @code{ARRAY_NOTATION_REF} tree using the function 
119 @code{c_parser_array_notation}.  During the end of parsing, we check the entire
120 function to see if there are any array notation specific code (using the 
121 function @code{contains_array_notation_expr}).  If this function returns 
122 true, then we expand them using either @code{expand_array_notation_exprs} or
123 @code{build_array_notation_expr}.  For the cases where array notations are 
124 inside conditions, they are transformed using the function 
125 @code{fix_conditional_array_notations}.  The C language-specific routines are 
126 located in @file{c/c-array-notation.c} and the equivalent C++ routines are in 
127 file @file{cp/cp-array-notation.c}.  Common routines such as functions to 
128 initialize builtin functions are stored in @file{array-notation-common.c}.
129 @end itemize
131 Detailed information about Cilk Plus and language specification is provided in 
132 @w{@uref{http://www.cilkplus.org/}}.  It is worth mentioning that the current 
133 implementation follows ABI 0.9.
135 @node Gimplification pass
136 @section Gimplification pass
138 @cindex gimplification
139 @cindex GIMPLE
140 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
141 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
142 (@pxref{GIMPLE}).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
143 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
144 section of code.
146 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
147 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
148 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
149 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
150 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
152 @findex gimplify_function_tree
153 @findex gimplify_expr
154 @findex lang_hooks.gimplify_expr
155 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
156 located in @file{gimplify.c}.  From here we process the entire
157 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
158 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
159 passes through here at least once, and it is from here that we
160 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
162 The callback should examine the expression in question and return
163 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
164 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
165 expression in some way to such that forward progress is made toward
166 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
167 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
168 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
169 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
170 If the callback encounters an error during the transformation (because
171 the front end is relying on the gimplification process to finish
172 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
174 @node Pass manager
175 @section Pass manager
177 The pass manager is located in @file{passes.c}, @file{tree-optimize.c}
178 and @file{tree-pass.h}.
179 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
180 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
182 The theory of operation is that each pass defines a structure that
183 represents everything we need to know about that pass---when it
184 should be run, how it should be run, what intermediate language
185 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
186 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
187 for everything to happen in the correct order.
189 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
190 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
191 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
192 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
193 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
194 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
196 Each pass should have a unique name.
197 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
198 Passes with a name starting with a star do not dump anything.
199 Sometimes passes are supposed to share a dump file / option name.
200 To still give these unique names, you can use a prefix that is delimited
201 by a space from the part that is used for the dump file / option name.
202 E.g. When the pass name is "ud dce", the name used for dump file/options
203 is "dce".
205 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
206 and a brief description of how a new pass should use it.
207 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
209 @node Tree SSA passes
210 @section Tree SSA passes
212 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
213 run after gimplification and what source files they are located in.
215 @itemize @bullet
216 @item Remove useless statements
218 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
219 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
220 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
221 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
222 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
223 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
224 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
225 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.c} and described by
226 @code{pass_remove_useless_stmts}.
228 @item OpenMP lowering
230 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
231 OpenMP constructs into GIMPLE.
233 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
234 expressions for local variables that have been mapped using data
235 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
236 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
237 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is
238 described by @code{pass_lower_omp}.
240 @item OpenMP expansion
242 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
243 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
244 library.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is described by
245 @code{pass_expand_omp}.
247 @item Lower control flow
249 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
250 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
251 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
252 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
253 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
254 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
255 pass is found in @file{gimple-low.c} and is described by
256 @code{pass_lower_cf}.
258 @item Lower exception handling control flow
260 This pass decomposes high-level exception handling constructs
261 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
262 that explicitly represents the control flow involved.  After this
263 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
264 number for any statement that may have EH control flow semantics;
265 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
266 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
267 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
268 in @file{except.h} and built in @file{except.c}.  The lowering pass
269 itself is in @file{tree-eh.c} and is described by @code{pass_lower_eh}.
271 @item Build the control flow graph
273 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
274 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
275 is described by @code{pass_build_cfg}.
277 @item Find all referenced variables
279 This pass walks the entire function and collects an array of all
280 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
281 index at which a variable is found in the array is used as a UID
282 for the variable within this function.  This data is needed by the
283 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.c}
284 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
286 @item Enter static single assignment form
288 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
289 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
290 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
291 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
292 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
293 located in @file{tree-ssa.c} and is described by @code{pass_build_ssa}.
295 @item Warn for uninitialized variables
297 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
298 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
299 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
300 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
301 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
302 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.c}
303 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
304 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
306 @item Dead code elimination
308 This pass scans the function for statements without side effects whose
309 result is unused.  It does not do memory life analysis, so any value
310 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
311 times throughout the optimization process.  It is located in
312 @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_dce}.
314 @item Dominator optimizations
316 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
317 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
318 throughout the optimization process.  It is located in @file{tree-ssa-dom.c}
319 and is described by @code{pass_dominator}.
321 @item Forward propagation of single-use variables
323 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
324 variables that are used once into the expression that uses them and
325 seeing if the result can be simplified.  It is located in
326 @file{tree-ssa-forwprop.c} and is described by @code{pass_forwprop}.
328 @item Copy Renaming
330 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
331 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
332 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
333 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
334 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
335 @code{pass_copyrename}.
337 @item PHI node optimizations
339 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
340 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
341 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.c} and is described by
342 @code{pass_phiopt}.
344 @item May-alias optimization
346 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
347 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
348 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
349 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
350 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
351 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
352 in @file{tree-ssa-alias.c} and is described by @code{pass_may_alias}.
354 Interprocedural points-to information is located in
355 @file{tree-ssa-structalias.c} and described by @code{pass_ipa_pta}.
357 @item Profiling
359 This pass rewrites the function in order to collect runtime block
360 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
361 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
362 execution frequencies.  The pass is located in @file{predict.c} and
363 is described by @code{pass_profile}.
365 @item Lower complex arithmetic
367 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
368 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.c}
369 and is described by @code{pass_lower_complex}.
371 @item Scalar replacement of aggregates
373 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
374 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
375 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
376 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
377 @file{tree-sra.c} and is described by @code{pass_sra}.
379 @item Dead store elimination
381 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
382 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
383 in @file{tree-ssa-dse.c} and is described by @code{pass_dse}.
385 @item Tail recursion elimination
387 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
388 @file{tree-tailcall.c} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
390 @item Forward store motion
392 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
393 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.c} and is
394 described by @code{pass_sink_code}.
396 @item Partial redundancy elimination
398 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
399 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.c}
400 and is described by @code{pass_pre}.
402 Just before partial redundancy elimination, if
403 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
404 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
405 in @file{tree-ssa-math-opts.c} and is described by
406 @code{pass_cse_reciprocal}.
408 @item Full redundancy elimination
410 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
411 occur on all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.c} and
412 described by @code{pass_fre}.
414 @item Loop optimization
416 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.c}
417 and described by @code{pass_loop}.
419 The optimizations performed by this pass are:
421 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
422 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
423 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
424 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
425 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
426 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.c}.
428 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
429 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
430 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
431 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
432 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c}.
434 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
435 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
436 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
437 @file{tree-ssa-loop-ivopts.c}.
439 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
440 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
441 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
442 @file{tree-ssa-loop-unswitch.c}.  This pass should eventually replace the
443 RTL level loop unswitching in @file{loop-unswitch.c}, but currently
444 the RTL level pass is not completely redundant yet due to deficiencies
445 in tree level alias analysis.
447 The optimizations also use various utility functions contained in
448 @file{tree-ssa-loop-manip.c}, @file{cfgloop.c}, @file{cfgloopanal.c} and
449 @file{cfgloopmanip.c}.
451 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
452 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
453 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate
454 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is
455 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
456 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the
457 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
458 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
459 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the
460 loop.
461 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
462 @file{tree-vect-loop.c} and @file{tree-vect-loop-manip.c} (loop specific parts
463 and general loop utilities), @file{tree-vect-slp} (loop-aware SLP
464 functionality), @file{tree-vect-stmts.c} and @file{tree-vect-data-refs.c}.
465 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.c}.
467 SLP Vectorization.  This pass performs vectorization of straight-line code. The
468 pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
469 @file{tree-vect-slp.c}, @file{tree-vect-stmts.c} and
470 @file{tree-vect-data-refs.c}.
472 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
473 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.c}.
475 Graphite is a loop transformation framework based on the polyhedral
476 model.  Graphite stands for Gimple Represented as Polyhedra.  The
477 internals of this infrastructure are documented in
478 @w{@uref{http://gcc.gnu.org/wiki/Graphite}}.  The passes working on
479 this representation are implemented in the various @file{graphite-*}
480 files.
482 @item Tree level if-conversion for vectorizer
484 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
485 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
486 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
487 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
488 and available vector operations.  This pass is located in
489 @file{tree-if-conv.c} and is described by @code{pass_if_conversion}.
491 @item Conditional constant propagation
493 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
494 that must be constant even in the presence of conditional branches.
495 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and is described
496 by @code{pass_ccp}.
498 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
499 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and described by
500 @code{pass_store_ccp}.
502 @item Conditional copy propagation
504 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
505 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
506 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
507 @code{pass_copy_prop}.
509 A related pass that works on memory copies, and not just register
510 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
511 @code{pass_store_copy_prop}.
513 @item Value range propagation
515 This transformation is similar to constant propagation but
516 instead of propagating single constant values, it propagates
517 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
518 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
519 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
520 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
521 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
522 range per SSA name. This means that the current implementation
523 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
524 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.c} and is
525 described by @code{pass_vrp}.
527 @item Folding built-in functions
529 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
530 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
531 @file{tree-ssa-ccp.c} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
533 @item Split critical edges
535 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
536 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
537 @file{tree-cfg.c} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
539 @item Control dependence dead code elimination
541 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
542 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
543 in @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_cd_dce}.
545 @item Tail call elimination
547 This pass identifies function calls that may be rewritten into
548 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
549 data and control flow problem is solved.  The code transformation
550 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
551 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
552 The pass is located in @file{tree-tailcall.c} and is described by
553 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
554 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.c}.
556 @item Warn for function return without value
558 For non-void functions, this pass locates return statements that do
559 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
560 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
561 run last so that we have as much time as possible to prove that the
562 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
563 is described by @code{pass_warn_function_return}.
565 @item Leave static single assignment form
567 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
568 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
569 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
570 pass is located in @file{tree-outof-ssa.c} and is described by
571 @code{pass_del_ssa}.
573 @item Merge PHI nodes that feed into one another
575 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
576 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
577 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.c} and is described by
578 @code{pass_merge_phi}.
580 @item Return value optimization
582 If a function always returns the same local variable, and that local
583 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
584 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
585 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
586 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.c} and is described by
587 @code{pass_nrv}.
589 @item Return slot optimization
591 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
592 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
593 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
594 pass is located in @code{tree-nrv.c} and is described by
595 @code{pass_return_slot}.
597 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size}
599 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls
600 to @code{__builtin_object_size} when the size of the object can be
601 computed at compile-time.  This pass is located in
602 @file{tree-object-size.c} and is described by
603 @code{pass_object_sizes}.
605 @item Loop invariant motion
607 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
608 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.c} and described by
609 @code{pass_lim}.
611 @item Loop nest optimizations
613 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
614 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
615 all geared to the optimization of data locality in array traversals
616 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
617 parallelization and vectorization.  The pass is located in
618 @file{tree-loop-linear.c} and described by
619 @code{pass_linear_transform}.
621 @item Removal of empty loops
623 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
624 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
625 @code{pass_empty_loop}.
627 @item Unrolling of small loops
629 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
630 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
631 @code{pass_complete_unroll}.
633 @item Predictive commoning
635 This pass makes the code reuse the computations from the previous
636 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
637 It does so by storing the values of these computations to a bank
638 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
639 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
640 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
641 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.c}
642 and described by @code{pass_predcom}.
644 @item Array prefetching
646 This pass issues prefetch instructions for array references inside
647 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.c} and
648 described by @code{pass_loop_prefetch}.
650 @item Reassociation
652 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
653 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
654 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.c} and described by
655 @code{pass_reassoc}.
657 @item Optimization of @code{stdarg} functions
659 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
660 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
661 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
662 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
663 escape the function, it is only necessary to save registers that will
664 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
665 only used with integral types in the function, floating point
666 registers don't need to be saved.  This pass is located in
667 @code{tree-stdarg.c} and described by @code{pass_stdarg}.
669 @end itemize
671 @node RTL passes
672 @section RTL passes
674 The following briefly describes the RTL generation and optimization
675 passes that are run after the Tree optimization passes.
677 @itemize @bullet
678 @item RTL generation
680 @c Avoiding overfull is tricky here.
681 The source files for RTL generation include
682 @file{stmt.c},
683 @file{calls.c},
684 @file{expr.c},
685 @file{explow.c},
686 @file{expmed.c},
687 @file{function.c},
688 @file{optabs.c}
689 and @file{emit-rtl.c}.
690 Also, the file
691 @file{insn-emit.c}, generated from the machine description by the
692 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
693 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
695 @findex genflags
696 @findex gencodes
697 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
698 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
699 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
700 for use and which patterns correspond to them.
702 @item Generation of exception landing pads
704 This pass generates the glue that handles communication between the
705 exception handling library routines and the exception handlers within
706 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
707 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
708 for this pass is located in @file{except.c}.
710 @item Control flow graph cleanup
712 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
713 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
714 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
715 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
716 @file{cfgcleanup.c}, and there are support routines in @file{cfgrtl.c}
717 and @file{jump.c}.
719 @item Forward propagation of single-def values
721 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
722 variables that come from a single definition, and
723 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
724 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
725 being propagated into loops only on the second run.  The code is
726 located in @file{fwprop.c}.
728 @item Common subexpression elimination
730 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
731 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
732 The code for this pass is located in @file{cse.c}.
734 @item Global common subexpression elimination
736 This pass performs two
737 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
738 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
739 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
740 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
741 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
742 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
743 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
744 well as load motion.
745 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
746 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
747 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
748 and store motion when optimizing for speed.
749 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
750 global constant and  copy propagation.
751 The source file for this pass is @file{gcse.c}, and the LCM routines
752 are in @file{lcm.c}.
754 @item Loop optimization
756 This pass performs several loop related optimizations.
757 The source files @file{cfgloopanal.c} and @file{cfgloopmanip.c} contain
758 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
759 of loop structures is handled by @file{loop-init.c}.
760 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.c}.
761 Basic block level optimizations---unrolling, peeling and unswitching loops---
762 are implemented in @file{loop-unswitch.c} and @file{loop-unroll.c}.
763 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
764 instructions is handled by @file{loop-doloop.c}.
766 @item Jump bypassing
768 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
769 flow graph of a function by propagating constants into conditional
770 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.c}.
772 @item If conversion
774 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
775 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
776 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
777 invocation after reload/LRA, it will generate predicated instructions
778 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.c}.
780 @item Web construction
782 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
783 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
784 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.c}.
786 @item Instruction combination
788 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
789 are related by data flow into single instructions.  It combines the
790 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
791 result using algebra, and then attempts to match the result against
792 the machine description.  The code is located in @file{combine.c}.
794 @item Register movement
796 This pass looks for cases where matching constraints would force an
797 instruction to need a reload, and this reload would be a
798 register-to-register move.  It then attempts to change the registers
799 used by the instruction to avoid the move instruction.  The code is
800 located in @file{regmove.c}.
802 @item Mode switching optimization
804 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
805 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
806 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
807 completely target-specific.  The code for this pass is located in
808 @file{mode-switching.c}.
810 @cindex modulo scheduling
811 @cindex sms, swing, software pipelining
812 @item Modulo scheduling
814 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
815 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
816 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
817 located in @file{modulo-sched.c}.
819 @item Instruction scheduling
821 This pass looks for instructions whose output will not be available by
822 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
823 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
824 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
825 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
826 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
827 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.c},
828 @file{sched-deps.c}, @file{sched-ebb.c}, @file{sched-rgn.c} and
829 @file{sched-vis.c}.
831 @item Register allocation
833 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
834 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
835 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
836 them on the stack.  This is done in several subpasses:
838 @itemize @bullet
839 @item
840 Register move optimizations.  This pass makes some simple RTL code
841 transformations which improve the subsequent register allocation.  The
842 source file is @file{regmove.c}.
844 @item
845 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
846 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
847 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
848 has better integration with the reload/LRA pass.  Pseudo-registers spilled
849 by the allocator or the reload/LRA have still a chance to get
850 hard-registers if the reload/LRA evicts some pseudo-registers from
851 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
852 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
853 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
854 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
855 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
856 register pressure but the user can force it to use one region or
857 regions corresponding to all loops.
859 Source files of the allocator are @file{ira.c}, @file{ira-build.c},
860 @file{ira-costs.c}, @file{ira-conflicts.c}, @file{ira-color.c},
861 @file{ira-emit.c}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
862 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
863 and the rest of the compiler and between the IRA files.
865 @cindex reloading
866 @item
867 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
868 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
869 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
870 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
871 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
872 up these instructions by reloading the problematical values
873 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
874 do the copying.
876 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
877 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
879 Source files are @file{reload.c} and @file{reload1.c}, plus the header
880 @file{reload.h} used for communication between them.
882 @cindex Local Register Allocator (LRA)
883 @item
884 This pass is a modern replacement of the reload pass.  Source files
885 are @file{lra.c}, @file{lra-assign.c}, @file{lra-coalesce.c},
886 @file{lra-constraints.c}, @file{lra-eliminations.c},
887 @file{lra-equivs.c}, @file{lra-lives.c}, @file{lra-saves.c},
888 @file{lra-spills.c}, the header @file{lra-int.h} used for
889 communication between them, and the header @file{lra.h} used for
890 communication between LRA and the rest of compiler.
892 Unlike the reload pass, intermediate LRA decisions are reflected in
893 RTL as much as possible.  This reduces the number of target-dependent
894 macros and hooks, leaving instruction constraints as the primary
895 source of control.
897 LRA is run on targets for which TARGET_LRA_P returns true.
898 @end itemize
900 @item Basic block reordering
902 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
903 information is not available, various types of static analysis are
904 performed to make the predictions normally coming from the profile
905 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
906 implemented in the file @file{bb-reorder.c}, and the various
907 prediction routines are in @file{predict.c}.
909 @item Variable tracking
911 This pass computes where the variables are stored at each
912 position in code and generates notes describing the variable locations
913 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
914 notes to debug information if the debugging information format supports
915 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.c}.
917 @item Delayed branch scheduling
919 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
920 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
921 for this pass is located in @file{reorg.c}.
923 @item Branch shortening
925 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
926 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
927 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
928 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
929 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
930 The code for this pass is located in @file{final.c}.
932 @item Register-to-stack conversion
934 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
935 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
936 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
937 code for this pass is located in @file{reg-stack.c}.
939 @item Final
941 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
942 are @file{final.c} plus @file{insn-output.c}; the latter is generated
943 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
944 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
945 these files.
947 @item Debugging information output
949 This is run after final because it must output the stack slot offsets
950 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
951 are @file{dbxout.c} for DBX symbol table format, @file{sdbout.c} for
952 SDB symbol table format, @file{dwarfout.c} for DWARF symbol table
953 format, files @file{dwarf2out.c} and @file{dwarf2asm.c} for DWARF2
954 symbol table format, and @file{vmsdbgout.c} for VMS debug symbol table
955 format.
957 @end itemize