Remove the default clause from a fully-covering switch
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blobf1861033cc795cd0ed83efc05c9df669b186dffe
1 =====================================================================
2 Building a JIT: Adding Optimizations -- An introduction to ORC Layers
3 =====================================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 **This tutorial is under active development. It is incomplete and details may
9 change frequently.** Nonetheless we invite you to try it out as it stands, and
10 we welcome any feedback.
12 Chapter 2 Introduction
13 ======================
15 Welcome to Chapter 2 of the "Building an ORC-based JIT in LLVM" tutorial. In
16 `Chapter 1 <BuildingAJIT1.html>`_ of this series we examined a basic JIT
17 class, KaleidoscopeJIT, that could take LLVM IR modules as input and produce
18 executable code in memory. KaleidoscopeJIT was able to do this with relatively
19 little code by composing two off-the-shelf *ORC layers*: IRCompileLayer and
20 ObjectLinkingLayer, to do much of the heavy lifting.
22 In this layer we'll learn more about the ORC layer concept by using a new layer,
23 IRTransformLayer, to add IR optimization support to KaleidoscopeJIT.
25 Optimizing Modules using the IRTransformLayer
26 =============================================
28 In `Chapter 4 <LangImpl04.html>`_ of the "Implementing a language with LLVM"
29 tutorial series the llvm *FunctionPassManager* is introduced as a means for
30 optimizing LLVM IR. Interested readers may read that chapter for details, but
31 in short: to optimize a Module we create an llvm::FunctionPassManager
32 instance, configure it with a set of optimizations, then run the PassManager on
33 a Module to mutate it into a (hopefully) more optimized but semantically
34 equivalent form. In the original tutorial series the FunctionPassManager was
35 created outside the KaleidoscopeJIT and modules were optimized before being
36 added to it. In this Chapter we will make optimization a phase of our JIT
37 instead. For now this will provide us a motivation to learn more about ORC
38 layers, but in the long term making optimization part of our JIT will yield an
39 important benefit: When we begin lazily compiling code (i.e. deferring
40 compilation of each function until the first time it's run), having
41 optimization managed by our JIT will allow us to optimize lazily too, rather
42 than having to do all our optimization up-front.
44 To add optimization support to our JIT we will take the KaleidoscopeJIT from
45 Chapter 1 and compose an ORC *IRTransformLayer* on top. We will look at how the
46 IRTransformLayer works in more detail below, but the interface is simple: the
47 constructor for this layer takes a reference to the layer below (as all layers
48 do) plus an *IR optimization function* that it will apply to each Module that
49 is added via addModule:
51 .. code-block:: c++
53   class KaleidoscopeJIT {
54   private:
55     std::unique_ptr<TargetMachine> TM;
56     const DataLayout DL;
57     RTDyldObjectLinkingLayer<> ObjectLayer;
58     IRCompileLayer<decltype(ObjectLayer)> CompileLayer;
60     using OptimizeFunction =
61         std::function<std::shared_ptr<Module>(std::shared_ptr<Module>)>;
63     IRTransformLayer<decltype(CompileLayer), OptimizeFunction> OptimizeLayer;
65   public:
66     using ModuleHandle = decltype(OptimizeLayer)::ModuleHandleT;
68     KaleidoscopeJIT()
69         : TM(EngineBuilder().selectTarget()), DL(TM->createDataLayout()),
70           ObjectLayer([]() { return std::make_shared<SectionMemoryManager>(); }),
71           CompileLayer(ObjectLayer, SimpleCompiler(*TM)),
72           OptimizeLayer(CompileLayer,
73                         [this](std::unique_ptr<Module> M) {
74                           return optimizeModule(std::move(M));
75                         }) {
76       llvm::sys::DynamicLibrary::LoadLibraryPermanently(nullptr);
77     }
79 Our extended KaleidoscopeJIT class starts out the same as it did in Chapter 1,
80 but after the CompileLayer we introduce a typedef for our optimization function.
81 In this case we use a std::function (a handy wrapper for "function-like" things)
82 from a single unique_ptr<Module> input to a std::unique_ptr<Module> output. With
83 our optimization function typedef in place we can declare our OptimizeLayer,
84 which sits on top of our CompileLayer.
86 To initialize our OptimizeLayer we pass it a reference to the CompileLayer
87 below (standard practice for layers), and we initialize the OptimizeFunction
88 using a lambda that calls out to an "optimizeModule" function that we will
89 define below.
91 .. code-block:: c++
93   // ...
94   auto Resolver = createLambdaResolver(
95       [&](const std::string &Name) {
96         if (auto Sym = OptimizeLayer.findSymbol(Name, false))
97           return Sym;
98         return JITSymbol(nullptr);
99       },
100   // ...
102 .. code-block:: c++
104   // ...
105   return cantFail(OptimizeLayer.addModule(std::move(M),
106                                           std::move(Resolver)));
107   // ...
109 .. code-block:: c++
111   // ...
112   return OptimizeLayer.findSymbol(MangledNameStream.str(), true);
113   // ...
115 .. code-block:: c++
117   // ...
118   cantFail(OptimizeLayer.removeModule(H));
119   // ...
121 Next we need to replace references to 'CompileLayer' with references to
122 OptimizeLayer in our key methods: addModule, findSymbol, and removeModule. In
123 addModule we need to be careful to replace both references: the findSymbol call
124 inside our resolver, and the call through to addModule.
126 .. code-block:: c++
128   std::shared_ptr<Module> optimizeModule(std::shared_ptr<Module> M) {
129     // Create a function pass manager.
130     auto FPM = llvm::make_unique<legacy::FunctionPassManager>(M.get());
132     // Add some optimizations.
133     FPM->add(createInstructionCombiningPass());
134     FPM->add(createReassociatePass());
135     FPM->add(createGVNPass());
136     FPM->add(createCFGSimplificationPass());
137     FPM->doInitialization();
139     // Run the optimizations over all functions in the module being added to
140     // the JIT.
141     for (auto &F : *M)
142       FPM->run(F);
144     return M;
145   }
147 At the bottom of our JIT we add a private method to do the actual optimization:
148 *optimizeModule*. This function sets up a FunctionPassManager, adds some passes
149 to it, runs it over every function in the module, and then returns the mutated
150 module. The specific optimizations are the same ones used in
151 `Chapter 4 <LangImpl04.html>`_ of the "Implementing a language with LLVM"
152 tutorial series. Readers may visit that chapter for a more in-depth
153 discussion of these, and of IR optimization in general.
155 And that's it in terms of changes to KaleidoscopeJIT: When a module is added via
156 addModule the OptimizeLayer will call our optimizeModule function before passing
157 the transformed module on to the CompileLayer below. Of course, we could have
158 called optimizeModule directly in our addModule function and not gone to the
159 bother of using the IRTransformLayer, but doing so gives us another opportunity
160 to see how layers compose. It also provides a neat entry point to the *layer*
161 concept itself, because IRTransformLayer turns out to be one of the simplest
162 implementations of the layer concept that can be devised:
164 .. code-block:: c++
166   template <typename BaseLayerT, typename TransformFtor>
167   class IRTransformLayer {
168   public:
169     using ModuleHandleT = typename BaseLayerT::ModuleHandleT;
171     IRTransformLayer(BaseLayerT &BaseLayer,
172                      TransformFtor Transform = TransformFtor())
173       : BaseLayer(BaseLayer), Transform(std::move(Transform)) {}
175     Expected<ModuleHandleT>
176     addModule(std::shared_ptr<Module> M,
177               std::shared_ptr<JITSymbolResolver> Resolver) {
178       return BaseLayer.addModule(Transform(std::move(M)), std::move(Resolver));
179     }
181     void removeModule(ModuleHandleT H) { BaseLayer.removeModule(H); }
183     JITSymbol findSymbol(const std::string &Name, bool ExportedSymbolsOnly) {
184       return BaseLayer.findSymbol(Name, ExportedSymbolsOnly);
185     }
187     JITSymbol findSymbolIn(ModuleHandleT H, const std::string &Name,
188                            bool ExportedSymbolsOnly) {
189       return BaseLayer.findSymbolIn(H, Name, ExportedSymbolsOnly);
190     }
192     void emitAndFinalize(ModuleHandleT H) {
193       BaseLayer.emitAndFinalize(H);
194     }
196     TransformFtor& getTransform() { return Transform; }
198     const TransformFtor& getTransform() const { return Transform; }
200   private:
201     BaseLayerT &BaseLayer;
202     TransformFtor Transform;
203   };
205 This is the whole definition of IRTransformLayer, from
206 ``llvm/include/llvm/ExecutionEngine/Orc/IRTransformLayer.h``, stripped of its
207 comments. It is a template class with two template arguments: ``BaesLayerT`` and
208 ``TransformFtor`` that provide the type of the base layer and the type of the
209 "transform functor" (in our case a std::function) respectively. This class is
210 concerned with two very simple jobs: (1) Running every IR Module that is added
211 with addModule through the transform functor, and (2) conforming to the ORC
212 layer interface. The interface consists of one typedef and five methods:
214 +------------------+-----------------------------------------------------------+
215 |     Interface    |                         Description                       |
216 +==================+===========================================================+
217 |                  | Provides a handle that can be used to identify a module   |
218 | ModuleHandleT    | set when calling findSymbolIn, removeModule, or           |
219 |                  | emitAndFinalize.                                          |
220 +------------------+-----------------------------------------------------------+
221 |                  | Takes a given set of Modules and makes them "available    |
222 |                  | for execution. This means that symbols in those modules   |
223 |                  | should be searchable via findSymbol and findSymbolIn, and |
224 |                  | the address of the symbols should be read/writable (for   |
225 |                  | data symbols), or executable (for function symbols) after |
226 |                  | JITSymbol::getAddress() is called. Note: This means that  |
227 |   addModule      | addModule doesn't have to compile (or do any other        |
228 |                  | work) up-front. It *can*, like IRCompileLayer, act        |
229 |                  | eagerly, but it can also simply record the module and     |
230 |                  | take no further action until somebody calls               |
231 |                  | JITSymbol::getAddress(). In IRTransformLayer's case       |
232 |                  | addModule eagerly applies the transform functor to        |
233 |                  | each module in the set, then passes the resulting set     |
234 |                  | of mutated modules down to the layer below.               |
235 +------------------+-----------------------------------------------------------+
236 |                  | Removes a set of modules from the JIT. Code or data       |
237 |  removeModule    | defined in these modules will no longer be available, and |
238 |                  | the memory holding the JIT'd definitions will be freed.   |
239 +------------------+-----------------------------------------------------------+
240 |                  | Searches for the named symbol in all modules that have    |
241 |                  | previously been added via addModule (and not yet          |
242 |    findSymbol    | removed by a call to removeModule). In                    |
243 |                  | IRTransformLayer we just pass the query on to the layer   |
244 |                  | below. In our REPL this is our default way to search for  |
245 |                  | function definitions.                                     |
246 +------------------+-----------------------------------------------------------+
247 |                  | Searches for the named symbol in the module set indicated |
248 |                  | by the given ModuleHandleT. This is just an optimized     |
249 |                  | search, better for lookup-speed when you know exactly     |
250 |                  | a symbol definition should be found. In IRTransformLayer  |
251 |   findSymbolIn   | we just pass this query on to the layer below. In our     |
252 |                  | REPL we use this method to search for functions           |
253 |                  | representing top-level expressions, since we know exactly |
254 |                  | where we'll find them: in the top-level expression module |
255 |                  | we just added.                                            |
256 +------------------+-----------------------------------------------------------+
257 |                  | Forces all of the actions required to make the code and   |
258 |                  | data in a module set (represented by a ModuleHandleT)     |
259 |                  | accessible. Behaves as if some symbol in the set had been |
260 |                  | searched for and JITSymbol::getSymbolAddress called. This |
261 | emitAndFinalize  | is rarely needed, but can be useful when dealing with     |
262 |                  | layers that usually behave lazily if the user wants to    |
263 |                  | trigger early compilation (for example, to use idle CPU   |
264 |                  | time to eagerly compile code in the background).          |
265 +------------------+-----------------------------------------------------------+
267 This interface attempts to capture the natural operations of a JIT (with some
268 wrinkles like emitAndFinalize for performance), similar to the basic JIT API
269 operations we identified in Chapter 1. Conforming to the layer concept allows
270 classes to compose neatly by implementing their behaviors in terms of the these
271 same operations, carried out on the layer below. For example, an eager layer
272 (like IRTransformLayer) can implement addModule by running each module in the
273 set through its transform up-front and immediately passing the result to the
274 layer below. A lazy layer, by contrast, could implement addModule by
275 squirreling away the modules doing no other up-front work, but applying the
276 transform (and calling addModule on the layer below) when the client calls
277 findSymbol instead. The JIT'd program behavior will be the same either way, but
278 these choices will have different performance characteristics: Doing work
279 eagerly means the JIT takes longer up-front, but proceeds smoothly once this is
280 done. Deferring work allows the JIT to get up-and-running quickly, but will
281 force the JIT to pause and wait whenever some code or data is needed that hasn't
282 already been processed.
284 Our current REPL is eager: Each function definition is optimized and compiled as
285 soon as it's typed in. If we were to make the transform layer lazy (but not
286 change things otherwise) we could defer optimization until the first time we
287 reference a function in a top-level expression (see if you can figure out why,
288 then check out the answer below [1]_). In the next chapter, however we'll
289 introduce fully lazy compilation, in which function's aren't compiled until
290 they're first called at run-time. At this point the trade-offs get much more
291 interesting: the lazier we are, the quicker we can start executing the first
292 function, but the more often we'll have to pause to compile newly encountered
293 functions. If we only code-gen lazily, but optimize eagerly, we'll have a slow
294 startup (which everything is optimized) but relatively short pauses as each
295 function just passes through code-gen. If we both optimize and code-gen lazily
296 we can start executing the first function more quickly, but we'll have longer
297 pauses as each function has to be both optimized and code-gen'd when it's first
298 executed. Things become even more interesting if we consider interproceedural
299 optimizations like inlining, which must be performed eagerly. These are
300 complex trade-offs, and there is no one-size-fits all solution to them, but by
301 providing composable layers we leave the decisions to the person implementing
302 the JIT, and make it easy for them to experiment with different configurations.
304 `Next: Adding Per-function Lazy Compilation <BuildingAJIT3.html>`_
306 Full Code Listing
307 =================
309 Here is the complete code listing for our running example with an
310 IRTransformLayer added to enable optimization. To build this example, use:
312 .. code-block:: bash
314     # Compile
315     clang++ -g toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core orcjit native` -O3 -o toy
316     # Run
317     ./toy
319 Here is the code:
321 .. literalinclude:: ../../examples/Kaleidoscope/BuildingAJIT/Chapter2/KaleidoscopeJIT.h
322    :language: c++
324 .. [1] When we add our top-level expression to the JIT, any calls to functions
325        that we defined earlier will appear to the RTDyldObjectLinkingLayer as
326        external symbols. The RTDyldObjectLinkingLayer will call the SymbolResolver
327        that we defined in addModule, which in turn calls findSymbol on the
328        OptimizeLayer, at which point even a lazy transform layer will have to
329        do its work.