i386.md (simple LEA peephole2): Add missing mode to zero_extend for zero-extended...
[official-gcc.git] / gcc / doc / passes.texi
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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 the file @file{cp/cp-array-notation.c}.  Common routines such as functions to 
128 initialize built-in functions are stored in @file{array-notation-common.c}.
130 @item Cilk keywords:
131 @itemize @bullet 
132 @item @code{_Cilk_spawn}:
133 The @code{_Cilk_spawn} keyword is parsed and the function it contains is marked 
134 as a spawning function.  The spawning function is called the spawner.  At 
135 the end of the parsing phase, appropriate built-in functions are 
136 added to the spawner that are defined in the Cilk runtime.  The appropriate 
137 locations of these functions, and the internal structures are detailed in 
138 @code{cilk_init_builtins} in the file @file{cilk-common.c}.  The pointers to 
139 Cilk functions and fields of internal structures are described 
140 in @file{cilk.h}.  The built-in functions are described in 
141 @file{cilk-builtins.def}.
143 During gimplification, a new "spawn-helper" function is created.  
144 The spawned function is replaced with a spawn helper function in the spawner.  
145 The spawned function-call is moved into the spawn helper.  The main function
146 that does these transformations is @code{gimplify_cilk_spawn} in
147 @file{c-family/cilk.c}.  In the spawn-helper, the gimplification function 
148 @code{gimplify_call_expr}, inserts a function call @code{__cilkrts_detach}.
149 This function is expanded by @code{builtin_expand_cilk_detach} located in
150 @file{c-family/cilk.c}.
152 @item @code{_Cilk_sync}:
153 @code{_Cilk_sync} is parsed like a keyword.  During gimplification, 
154 the function @code{gimplify_cilk_sync} in @file{c-family/cilk.c}, will replace
155 this keyword with a set of functions that are stored in the Cilk runtime.  
156 One of the internal functions inserted during gimplification, 
157 @code{__cilkrts_pop_frame} must be expanded by the compiler and is 
158 done by @code{builtin_expand_cilk_pop_frame} in @file{cilk-common.c}.
160 @end itemize
161 @end itemize
163 Documentation about Cilk Plus and language specification is provided under the
164 "Learn" section in @w{@uref{http://www.cilkplus.org/}}.  It is worth mentioning
165 that the current implementation follows ABI 1.1.
167 @node Gimplification pass
168 @section Gimplification pass
170 @cindex gimplification
171 @cindex GIMPLE
172 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
173 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
174 (@pxref{GIMPLE}).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
175 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
176 section of code.
178 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
179 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
180 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
181 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
182 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
184 @findex gimplify_function_tree
185 @findex gimplify_expr
186 @findex lang_hooks.gimplify_expr
187 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
188 located in @file{gimplify.c}.  From here we process the entire
189 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
190 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
191 passes through here at least once, and it is from here that we
192 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
194 The callback should examine the expression in question and return
195 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
196 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
197 expression in some way to such that forward progress is made toward
198 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
199 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
200 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
201 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
202 If the callback encounters an error during the transformation (because
203 the front end is relying on the gimplification process to finish
204 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
206 @node Pass manager
207 @section Pass manager
209 The pass manager is located in @file{passes.c}, @file{tree-optimize.c}
210 and @file{tree-pass.h}.
211 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
212 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
214 The theory of operation is that each pass defines a structure that
215 represents everything we need to know about that pass---when it
216 should be run, how it should be run, what intermediate language
217 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
218 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
219 for everything to happen in the correct order.
221 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
222 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
223 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
224 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
225 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
226 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
228 Each pass should have a unique name.
229 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
230 Passes with a name starting with a star do not dump anything.
231 Sometimes passes are supposed to share a dump file / option name.
232 To still give these unique names, you can use a prefix that is delimited
233 by a space from the part that is used for the dump file / option name.
234 E.g. When the pass name is "ud dce", the name used for dump file/options
235 is "dce".
237 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
238 and a brief description of how a new pass should use it.
239 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
241 @node Tree SSA passes
242 @section Tree SSA passes
244 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
245 run after gimplification and what source files they are located in.
247 @itemize @bullet
248 @item Remove useless statements
250 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
251 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
252 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
253 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
254 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
255 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
256 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
257 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.c} and described by
258 @code{pass_remove_useless_stmts}.
260 @item OpenMP lowering
262 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
263 OpenMP constructs into GIMPLE.
265 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
266 expressions for local variables that have been mapped using data
267 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
268 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
269 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is
270 described by @code{pass_lower_omp}.
272 @item OpenMP expansion
274 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
275 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
276 library.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is described by
277 @code{pass_expand_omp}.
279 @item Lower control flow
281 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
282 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
283 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
284 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
285 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
286 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
287 pass is found in @file{gimple-low.c} and is described by
288 @code{pass_lower_cf}.
290 @item Lower exception handling control flow
292 This pass decomposes high-level exception handling constructs
293 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
294 that explicitly represents the control flow involved.  After this
295 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
296 number for any statement that may have EH control flow semantics;
297 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
298 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
299 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
300 in @file{except.h} and built in @file{except.c}.  The lowering pass
301 itself is in @file{tree-eh.c} and is described by @code{pass_lower_eh}.
303 @item Build the control flow graph
305 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
306 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
307 is described by @code{pass_build_cfg}.
309 @item Find all referenced variables
311 This pass walks the entire function and collects an array of all
312 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
313 index at which a variable is found in the array is used as a UID
314 for the variable within this function.  This data is needed by the
315 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.c}
316 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
318 @item Enter static single assignment form
320 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
321 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
322 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
323 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
324 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
325 located in @file{tree-ssa.c} and is described by @code{pass_build_ssa}.
327 @item Warn for uninitialized variables
329 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
330 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
331 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
332 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
333 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
334 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.c}
335 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
336 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
338 @item Dead code elimination
340 This pass scans the function for statements without side effects whose
341 result is unused.  It does not do memory life analysis, so any value
342 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
343 times throughout the optimization process.  It is located in
344 @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_dce}.
346 @item Dominator optimizations
348 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
349 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
350 throughout the optimization process.  It is located in @file{tree-ssa-dom.c}
351 and is described by @code{pass_dominator}.
353 @item Forward propagation of single-use variables
355 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
356 variables that are used once into the expression that uses them and
357 seeing if the result can be simplified.  It is located in
358 @file{tree-ssa-forwprop.c} and is described by @code{pass_forwprop}.
360 @item Copy Renaming
362 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
363 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
364 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
365 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
366 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
367 @code{pass_copyrename}.
369 @item PHI node optimizations
371 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
372 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
373 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.c} and is described by
374 @code{pass_phiopt}.
376 @item May-alias optimization
378 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
379 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
380 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
381 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
382 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
383 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
384 in @file{tree-ssa-alias.c} and is described by @code{pass_may_alias}.
386 Interprocedural points-to information is located in
387 @file{tree-ssa-structalias.c} and described by @code{pass_ipa_pta}.
389 @item Profiling
391 This pass rewrites the function in order to collect runtime block
392 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
393 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
394 execution frequencies.  The pass is located in @file{predict.c} and
395 is described by @code{pass_profile}.
397 @item Lower complex arithmetic
399 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
400 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.c}
401 and is described by @code{pass_lower_complex}.
403 @item Scalar replacement of aggregates
405 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
406 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
407 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
408 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
409 @file{tree-sra.c} and is described by @code{pass_sra}.
411 @item Dead store elimination
413 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
414 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
415 in @file{tree-ssa-dse.c} and is described by @code{pass_dse}.
417 @item Tail recursion elimination
419 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
420 @file{tree-tailcall.c} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
422 @item Forward store motion
424 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
425 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.c} and is
426 described by @code{pass_sink_code}.
428 @item Partial redundancy elimination
430 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
431 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.c}
432 and is described by @code{pass_pre}.
434 Just before partial redundancy elimination, if
435 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
436 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
437 in @file{tree-ssa-math-opts.c} and is described by
438 @code{pass_cse_reciprocal}.
440 @item Full redundancy elimination
442 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
443 occur on all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.c} and
444 described by @code{pass_fre}.
446 @item Loop optimization
448 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.c}
449 and described by @code{pass_loop}.
451 The optimizations performed by this pass are:
453 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
454 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
455 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
456 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
457 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
458 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.c}.
460 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
461 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
462 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
463 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
464 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c}.
466 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
467 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
468 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
469 @file{tree-ssa-loop-ivopts.c}.
471 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
472 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
473 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
474 @file{tree-ssa-loop-unswitch.c}.  This pass should eventually replace the
475 RTL level loop unswitching in @file{loop-unswitch.c}, but currently
476 the RTL level pass is not completely redundant yet due to deficiencies
477 in tree level alias analysis.
479 The optimizations also use various utility functions contained in
480 @file{tree-ssa-loop-manip.c}, @file{cfgloop.c}, @file{cfgloopanal.c} and
481 @file{cfgloopmanip.c}.
483 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
484 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
485 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate
486 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is
487 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
488 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the
489 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
490 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
491 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the
492 loop.
493 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
494 @file{tree-vect-loop.c} and @file{tree-vect-loop-manip.c} (loop specific parts
495 and general loop utilities), @file{tree-vect-slp} (loop-aware SLP
496 functionality), @file{tree-vect-stmts.c} and @file{tree-vect-data-refs.c}.
497 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.c}.
499 SLP Vectorization.  This pass performs vectorization of straight-line code. The
500 pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
501 @file{tree-vect-slp.c}, @file{tree-vect-stmts.c} and
502 @file{tree-vect-data-refs.c}.
504 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
505 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.c}.
507 Graphite is a loop transformation framework based on the polyhedral
508 model.  Graphite stands for Gimple Represented as Polyhedra.  The
509 internals of this infrastructure are documented in
510 @w{@uref{http://gcc.gnu.org/wiki/Graphite}}.  The passes working on
511 this representation are implemented in the various @file{graphite-*}
512 files.
514 @item Tree level if-conversion for vectorizer
516 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
517 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
518 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
519 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
520 and available vector operations.  This pass is located in
521 @file{tree-if-conv.c} and is described by @code{pass_if_conversion}.
523 @item Conditional constant propagation
525 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
526 that must be constant even in the presence of conditional branches.
527 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and is described
528 by @code{pass_ccp}.
530 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
531 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and described by
532 @code{pass_store_ccp}.
534 @item Conditional copy propagation
536 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
537 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
538 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
539 @code{pass_copy_prop}.
541 A related pass that works on memory copies, and not just register
542 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
543 @code{pass_store_copy_prop}.
545 @item Value range propagation
547 This transformation is similar to constant propagation but
548 instead of propagating single constant values, it propagates
549 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
550 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
551 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
552 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
553 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
554 range per SSA name. This means that the current implementation
555 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
556 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.c} and is
557 described by @code{pass_vrp}.
559 @item Folding built-in functions
561 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
562 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
563 @file{tree-ssa-ccp.c} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
565 @item Split critical edges
567 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
568 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
569 @file{tree-cfg.c} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
571 @item Control dependence dead code elimination
573 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
574 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
575 in @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_cd_dce}.
577 @item Tail call elimination
579 This pass identifies function calls that may be rewritten into
580 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
581 data and control flow problem is solved.  The code transformation
582 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
583 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
584 The pass is located in @file{tree-tailcall.c} and is described by
585 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
586 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.c}.
588 @item Warn for function return without value
590 For non-void functions, this pass locates return statements that do
591 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
592 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
593 run last so that we have as much time as possible to prove that the
594 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
595 is described by @code{pass_warn_function_return}.
597 @item Leave static single assignment form
599 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
600 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
601 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
602 pass is located in @file{tree-outof-ssa.c} and is described by
603 @code{pass_del_ssa}.
605 @item Merge PHI nodes that feed into one another
607 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
608 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
609 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.c} and is described by
610 @code{pass_merge_phi}.
612 @item Return value optimization
614 If a function always returns the same local variable, and that local
615 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
616 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
617 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
618 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.c} and is described by
619 @code{pass_nrv}.
621 @item Return slot optimization
623 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
624 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
625 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
626 pass is located in @code{tree-nrv.c} and is described by
627 @code{pass_return_slot}.
629 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size}
631 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls
632 to @code{__builtin_object_size} when the size of the object can be
633 computed at compile-time.  This pass is located in
634 @file{tree-object-size.c} and is described by
635 @code{pass_object_sizes}.
637 @item Loop invariant motion
639 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
640 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.c} and described by
641 @code{pass_lim}.
643 @item Loop nest optimizations
645 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
646 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
647 all geared to the optimization of data locality in array traversals
648 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
649 parallelization and vectorization.  The pass is located in
650 @file{tree-loop-linear.c} and described by
651 @code{pass_linear_transform}.
653 @item Removal of empty loops
655 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
656 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
657 @code{pass_empty_loop}.
659 @item Unrolling of small loops
661 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
662 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
663 @code{pass_complete_unroll}.
665 @item Predictive commoning
667 This pass makes the code reuse the computations from the previous
668 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
669 It does so by storing the values of these computations to a bank
670 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
671 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
672 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
673 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.c}
674 and described by @code{pass_predcom}.
676 @item Array prefetching
678 This pass issues prefetch instructions for array references inside
679 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.c} and
680 described by @code{pass_loop_prefetch}.
682 @item Reassociation
684 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
685 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
686 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.c} and described by
687 @code{pass_reassoc}.
689 @item Optimization of @code{stdarg} functions
691 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
692 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
693 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
694 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
695 escape the function, it is only necessary to save registers that will
696 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
697 only used with integral types in the function, floating point
698 registers don't need to be saved.  This pass is located in
699 @code{tree-stdarg.c} and described by @code{pass_stdarg}.
701 @end itemize
703 @node RTL passes
704 @section RTL passes
706 The following briefly describes the RTL generation and optimization
707 passes that are run after the Tree optimization passes.
709 @itemize @bullet
710 @item RTL generation
712 @c Avoiding overfull is tricky here.
713 The source files for RTL generation include
714 @file{stmt.c},
715 @file{calls.c},
716 @file{expr.c},
717 @file{explow.c},
718 @file{expmed.c},
719 @file{function.c},
720 @file{optabs.c}
721 and @file{emit-rtl.c}.
722 Also, the file
723 @file{insn-emit.c}, generated from the machine description by the
724 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
725 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
727 @findex genflags
728 @findex gencodes
729 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
730 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
731 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
732 for use and which patterns correspond to them.
734 @item Generation of exception landing pads
736 This pass generates the glue that handles communication between the
737 exception handling library routines and the exception handlers within
738 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
739 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
740 for this pass is located in @file{except.c}.
742 @item Control flow graph cleanup
744 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
745 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
746 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
747 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
748 @file{cfgcleanup.c}, and there are support routines in @file{cfgrtl.c}
749 and @file{jump.c}.
751 @item Forward propagation of single-def values
753 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
754 variables that come from a single definition, and
755 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
756 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
757 being propagated into loops only on the second run.  The code is
758 located in @file{fwprop.c}.
760 @item Common subexpression elimination
762 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
763 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
764 The code for this pass is located in @file{cse.c}.
766 @item Global common subexpression elimination
768 This pass performs two
769 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
770 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
771 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
772 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
773 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
774 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
775 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
776 well as load motion.
777 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
778 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
779 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
780 and store motion when optimizing for speed.
781 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
782 global constant and  copy propagation.
783 The source file for this pass is @file{gcse.c}, and the LCM routines
784 are in @file{lcm.c}.
786 @item Loop optimization
788 This pass performs several loop related optimizations.
789 The source files @file{cfgloopanal.c} and @file{cfgloopmanip.c} contain
790 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
791 of loop structures is handled by @file{loop-init.c}.
792 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.c}.
793 Basic block level optimizations---unrolling, peeling and unswitching loops---
794 are implemented in @file{loop-unswitch.c} and @file{loop-unroll.c}.
795 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
796 instructions is handled by @file{loop-doloop.c}.
798 @item Jump bypassing
800 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
801 flow graph of a function by propagating constants into conditional
802 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.c}.
804 @item If conversion
806 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
807 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
808 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
809 invocation after reload/LRA, it will generate predicated instructions
810 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.c}.
812 @item Web construction
814 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
815 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
816 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.c}.
818 @item Instruction combination
820 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
821 are related by data flow into single instructions.  It combines the
822 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
823 result using algebra, and then attempts to match the result against
824 the machine description.  The code is located in @file{combine.c}.
826 @item Mode switching optimization
828 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
829 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
830 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
831 completely target-specific.  The code for this pass is located in
832 @file{mode-switching.c}.
834 @cindex modulo scheduling
835 @cindex sms, swing, software pipelining
836 @item Modulo scheduling
838 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
839 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
840 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
841 located in @file{modulo-sched.c}.
843 @item Instruction scheduling
845 This pass looks for instructions whose output will not be available by
846 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
847 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
848 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
849 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
850 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
851 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.c},
852 @file{sched-deps.c}, @file{sched-ebb.c}, @file{sched-rgn.c} and
853 @file{sched-vis.c}.
855 @item Register allocation
857 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
858 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
859 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
860 them on the stack.  This is done in several subpasses:
862 @itemize @bullet
863 @item
864 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
865 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
866 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
867 has better integration with the reload/LRA pass.  Pseudo-registers spilled
868 by the allocator or the reload/LRA have still a chance to get
869 hard-registers if the reload/LRA evicts some pseudo-registers from
870 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
871 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
872 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
873 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
874 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
875 register pressure but the user can force it to use one region or
876 regions corresponding to all loops.
878 Source files of the allocator are @file{ira.c}, @file{ira-build.c},
879 @file{ira-costs.c}, @file{ira-conflicts.c}, @file{ira-color.c},
880 @file{ira-emit.c}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
881 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
882 and the rest of the compiler and between the IRA files.
884 @cindex reloading
885 @item
886 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
887 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
888 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
889 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
890 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
891 up these instructions by reloading the problematical values
892 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
893 do the copying.
895 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
896 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
898 Source files are @file{reload.c} and @file{reload1.c}, plus the header
899 @file{reload.h} used for communication between them.
901 @cindex Local Register Allocator (LRA)
902 @item
903 This pass is a modern replacement of the reload pass.  Source files
904 are @file{lra.c}, @file{lra-assign.c}, @file{lra-coalesce.c},
905 @file{lra-constraints.c}, @file{lra-eliminations.c},
906 @file{lra-equivs.c}, @file{lra-lives.c}, @file{lra-saves.c},
907 @file{lra-spills.c}, the header @file{lra-int.h} used for
908 communication between them, and the header @file{lra.h} used for
909 communication between LRA and the rest of compiler.
911 Unlike the reload pass, intermediate LRA decisions are reflected in
912 RTL as much as possible.  This reduces the number of target-dependent
913 macros and hooks, leaving instruction constraints as the primary
914 source of control.
916 LRA is run on targets for which TARGET_LRA_P returns true.
917 @end itemize
919 @item Basic block reordering
921 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
922 information is not available, various types of static analysis are
923 performed to make the predictions normally coming from the profile
924 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
925 implemented in the file @file{bb-reorder.c}, and the various
926 prediction routines are in @file{predict.c}.
928 @item Variable tracking
930 This pass computes where the variables are stored at each
931 position in code and generates notes describing the variable locations
932 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
933 notes to debug information if the debugging information format supports
934 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.c}.
936 @item Delayed branch scheduling
938 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
939 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
940 for this pass is located in @file{reorg.c}.
942 @item Branch shortening
944 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
945 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
946 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
947 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
948 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
949 The code for this pass is located in @file{final.c}.
951 @item Register-to-stack conversion
953 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
954 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
955 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
956 code for this pass is located in @file{reg-stack.c}.
958 @item Final
960 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
961 are @file{final.c} plus @file{insn-output.c}; the latter is generated
962 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
963 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
964 these files.
966 @item Debugging information output
968 This is run after final because it must output the stack slot offsets
969 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
970 are @file{dbxout.c} for DBX symbol table format, @file{sdbout.c} for
971 SDB symbol table format, @file{dwarfout.c} for DWARF symbol table
972 format, files @file{dwarf2out.c} and @file{dwarf2asm.c} for DWARF2
973 symbol table format, and @file{vmsdbgout.c} for VMS debug symbol table
974 format.
976 @end itemize