docs/Passes.rst

   1 ..
   2     If Passes.html is up to date, the following "one-liner" should print
   3     an empty diff.
   4
   5     egrep -e '^<tr><td><a href="#.*">-.*</a></td><td>.*</td></tr>$' \
   6           -e '^  <a name=".*">.*</a>$' < Passes.html >html; \
   7     perl >help <<'EOT' && diff -u help html; rm -f help html
   8     open HTML, "<Passes.html" or die "open: Passes.html: $!\n";
   9     while (<HTML>) {
  10       m:^<tr><td><a href="#(.*)">-.*</a></td><td>.*</td></tr>$: or next;
  11       $order{$1} = sprintf("%03d", 1 + int %order);
  12     }
  13     open HELP, "../Release/bin/opt -help|" or die "open: opt -help: $!\n";
  14     while (<HELP>) {
  15       m:^    -([^ ]+) +- (.*)$: or next;
  16       my $o = $order{$1};
  17       $o = "000" unless defined $o;
  18       push @x, "$o<tr><td><a href=\"#$1\">-$1</a></td><td>$2</td></tr>\n";
  19       push @y, "$o  <a name=\"$1\">-$1: $2</a>\n";
  20     }
  21     @x = map { s/^\d\d\d//; $_ } sort @x;
  22     @y = map { s/^\d\d\d//; $_ } sort @y;
  23     print @x, @y;
  24     EOT
  25
  26     This (real) one-liner can also be helpful when converting comments to HTML:
  27
  28     perl -e '$/ = undef; for (split(/\n/, <>)) { s:^ *///? ?::; print "  <p>\n" if !$on && $_ =~ /\S/; print "  </p>\n" if $on && $_ =~ /^\s*$/; print "  $_\n"; $on = ($_ =~ /\S/); } print "  </p>\n" if $on'
  29
  30 ====================================
  31 LLVM's Analysis and Transform Passes
  32 ====================================
  33
  34 .. contents::
  35     :local:
  36
  37 Introduction
  38 ============
  39
  40 This document serves as a high level summary of the optimization features that
  41 LLVM provides.  Optimizations are implemented as Passes that traverse some
  42 portion of a program to either collect information or transform the program.
  43 The table below divides the passes that LLVM provides into three categories.
  44 Analysis passes compute information that other passes can use or for debugging
  45 or program visualization purposes.  Transform passes can use (or invalidate)
  46 the analysis passes.  Transform passes all mutate the program in some way.
  47 Utility passes provides some utility but don't otherwise fit categorization.
  48 For example passes to extract functions to bitcode or write a module to bitcode
  49 are neither analysis nor transform passes.  The table of contents above
  50 provides a quick summary of each pass and links to the more complete pass
  51 description later in the document.
  52
  53 Analysis Passes
  54 ===============
  55
  56 This section describes the LLVM Analysis Passes.
  57
  58 ``-aa-eval``: Exhaustive Alias Analysis Precision Evaluator
  59 -----------------------------------------------------------
  60
  61 This is a simple N^2 alias analysis accuracy evaluator.  Basically, for each
  62 function in the program, it simply queries to see how the alias analysis
  63 implementation answers alias queries between each pair of pointers in the
  64 function.
  65
  66 This is inspired and adapted from code by: Naveen Neelakantam, Francesco
  67 Spadini, and Wojciech Stryjewski.
  68
  69 ``-basicaa``: Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
  70 ------------------------------------------------------
  71
  72 A basic alias analysis pass that implements identities (two different globals
  73 cannot alias, etc), but does no stateful analysis.
  74
  75 ``-basiccg``: Basic CallGraph Construction
  76 ------------------------------------------
  77
  78 Yet to be written.
  79
  80 ``-count-aa``: Count Alias Analysis Query Responses
  81 ---------------------------------------------------
  82
  83 A pass which can be used to count how many alias queries are being made and how
  84 the alias analysis implementation being used responds.
  85
  86 ``-da``: Dependence Analysis
  87 ----------------------------
  88
  89 Dependence analysis framework, which is used to detect dependences in memory
  90 accesses.
  91
  92 ``-debug-aa``: AA use debugger
  93 ------------------------------
  94
  95 This simple pass checks alias analysis users to ensure that if they create a
  96 new value, they do not query AA without informing it of the value.  It acts as
  97 a shim over any other AA pass you want.
  98
  99 Yes keeping track of every value in the program is expensive, but this is a
 100 debugging pass.
 101
 102 ``-domfrontier``: Dominance Frontier Construction
 103 -------------------------------------------------
 104
 105 This pass is a simple dominator construction algorithm for finding forward
 106 dominator frontiers.
 107
 108 ``-domtree``: Dominator Tree Construction
 109 -----------------------------------------
 110
 111 This pass is a simple dominator construction algorithm for finding forward
 112 dominators.
 113
 114
 115 ``-dot-callgraph``: Print Call Graph to "dot" file
 116 --------------------------------------------------
 117
 118 This pass, only available in ``opt``, prints the call graph into a ``.dot``
 119 graph.  This graph can then be processed with the "dot" tool to convert it to
 120 postscript or some other suitable format.
 121
 122 ``-dot-cfg``: Print CFG of function to "dot" file
 123 -------------------------------------------------
 124
 125 This pass, only available in ``opt``, prints the control flow graph into a
 126 ``.dot`` graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool
 127 to convert it to postscript or some other suitable format.
 128
 129 ``-dot-cfg-only``: Print CFG of function to "dot" file (with no function bodies)
 130 --------------------------------------------------------------------------------
 131
 132 This pass, only available in ``opt``, prints the control flow graph into a
 133 ``.dot`` graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed
 134 with the :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable
 135 format.
 136
 137 ``-dot-dom``: Print dominance tree of function to "dot" file
 138 ------------------------------------------------------------
 139
 140 This pass, only available in ``opt``, prints the dominator tree into a ``.dot``
 141 graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool to
 142 convert it to postscript or some other suitable format.
 143
 144 ``-dot-dom-only``: Print dominance tree of function to "dot" file (with no function bodies)
 145 -------------------------------------------------------------------------------------------
 146
 147 This pass, only available in ``opt``, prints the dominator tree into a ``.dot``
 148 graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed with the
 149 :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable format.
 150
 151 ``-dot-postdom``: Print postdominance tree of function to "dot" file
 152 --------------------------------------------------------------------
 153
 154 This pass, only available in ``opt``, prints the post dominator tree into a
 155 ``.dot`` graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool
 156 to convert it to postscript or some other suitable format.
 157
 158 ``-dot-postdom-only``: Print postdominance tree of function to "dot" file (with no function bodies)
 159 ---------------------------------------------------------------------------------------------------
 160
 161 This pass, only available in ``opt``, prints the post dominator tree into a
 162 ``.dot`` graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed
 163 with the :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable
 164 format.
 165
 166 ``-globalsmodref-aa``: Simple mod/ref analysis for globals
 167 ----------------------------------------------------------
 168
 169 This simple pass provides alias and mod/ref information for global values that
 170 do not have their address taken, and keeps track of whether functions read or
 171 write memory (are "pure").  For this simple (but very common) case, we can
 172 provide pretty accurate and useful information.
 173
 174 ``-instcount``: Counts the various types of ``Instruction``\ s
 175 --------------------------------------------------------------
 176
 177 This pass collects the count of all instructions and reports them.
 178
 179 ``-intervals``: Interval Partition Construction
 180 -----------------------------------------------
 181
 182 This analysis calculates and represents the interval partition of a function,
 183 or a preexisting interval partition.
 184
 185 In this way, the interval partition may be used to reduce a flow graph down to
 186 its degenerate single node interval partition (unless it is irreducible).
 187
 188 ``-iv-users``: Induction Variable Users
 189 ---------------------------------------
 190
 191 Bookkeeping for "interesting" users of expressions computed from induction
 192 variables.
 193
 194 ``-lazy-value-info``: Lazy Value Information Analysis
 195 -----------------------------------------------------
 196
 197 Interface for lazy computation of value constraint information.
 198
 199 ``-libcall-aa``: LibCall Alias Analysis
 200 ---------------------------------------
 201
 202 LibCall Alias Analysis.
 203
 204 ``-lint``: Statically lint-checks LLVM IR
 205 -----------------------------------------
 206
 207 This pass statically checks for common and easily-identified constructs which
 208 produce undefined or likely unintended behavior in LLVM IR.
 209
 210 It is not a guarantee of correctness, in two ways.  First, it isn't
 211 comprehensive.  There are checks which could be done statically which are not
 212 yet implemented.  Some of these are indicated by TODO comments, but those
 213 aren't comprehensive either.  Second, many conditions cannot be checked
 214 statically.  This pass does no dynamic instrumentation, so it can't check for
 215 all possible problems.
 216
 217 Another limitation is that it assumes all code will be executed.  A store
 218 through a null pointer in a basic block which is never reached is harmless, but
 219 this pass will warn about it anyway.
 220
 221 Optimization passes may make conditions that this pass checks for more or less
 222 obvious.  If an optimization pass appears to be introducing a warning, it may
 223 be that the optimization pass is merely exposing an existing condition in the
 224 code.
 225
 226 This code may be run before :ref:`instcombine <passes-instcombine>`.  In many
 227 cases, instcombine checks for the same kinds of things and turns instructions
 228 with undefined behavior into unreachable (or equivalent).  Because of this,
 229 this pass makes some effort to look through bitcasts and so on.
 230
 231 ``-loops``: Natural Loop Information
 232 ------------------------------------
 233
 234 This analysis is used to identify natural loops and determine the loop depth of
 235 various nodes of the CFG.  Note that the loops identified may actually be
 236 several natural loops that share the same header node... not just a single
 237 natural loop.
 238
 239 ``-memdep``: Memory Dependence Analysis
 240 ---------------------------------------
 241
 242 An analysis that determines, for a given memory operation, what preceding
 243 memory operations it depends on.  It builds on alias analysis information, and
 244 tries to provide a lazy, caching interface to a common kind of alias
 245 information query.
 246
 247 ``-module-debuginfo``: Decodes module-level debug info
 248 ------------------------------------------------------
 249
 250 This pass decodes the debug info metadata in a module and prints in a
 251 (sufficiently-prepared-) human-readable form.
 252
 253 For example, run this pass from ``opt`` along with the ``-analyze`` option, and
 254 it'll print to standard output.
 255
 256 ``-postdomfrontier``: Post-Dominance Frontier Construction
 257 ----------------------------------------------------------
 258
 259 This pass is a simple post-dominator construction algorithm for finding
 260 post-dominator frontiers.
 261
 262 ``-postdomtree``: Post-Dominator Tree Construction
 263 --------------------------------------------------
 264
 265 This pass is a simple post-dominator construction algorithm for finding
 266 post-dominators.
 267
 268 ``-print-alias-sets``: Alias Set Printer
 269 ----------------------------------------
 270
 271 Yet to be written.
 272
 273 ``-print-callgraph``: Print a call graph
 274 ----------------------------------------
 275
 276 This pass, only available in ``opt``, prints the call graph to standard error
 277 in a human-readable form.
 278
 279 ``-print-callgraph-sccs``: Print SCCs of the Call Graph
 280 -------------------------------------------------------
 281
 282 This pass, only available in ``opt``, prints the SCCs of the call graph to
 283 standard error in a human-readable form.
 284
 285 ``-print-cfg-sccs``: Print SCCs of each function CFG
 286 ----------------------------------------------------
 287
 288 This pass, only available in ``opt``, printsthe SCCs of each function CFG to
 289 standard error in a human-readable fom.
 290
 291 ``-print-dom-info``: Dominator Info Printer
 292 -------------------------------------------
 293
 294 Dominator Info Printer.
 295
 296 ``-print-externalfnconstants``: Print external fn callsites passed constants
 297 ----------------------------------------------------------------------------
 298
 299 This pass, only available in ``opt``, prints out call sites to external
 300 functions that are called with constant arguments.  This can be useful when
 301 looking for standard library functions we should constant fold or handle in
 302 alias analyses.
 303
 304 ``-print-function``: Print function to stderr
 305 ---------------------------------------------
 306
 307 The ``PrintFunctionPass`` class is designed to be pipelined with other
 308 ``FunctionPasses``, and prints out the functions of the module as they are
 309 processed.
 310
 311 ``-print-module``: Print module to stderr
 312 -----------------------------------------
 313
 314 This pass simply prints out the entire module when it is executed.
 315
 316 .. _passes-print-used-types:
 317
 318 ``-print-used-types``: Find Used Types
 319 --------------------------------------
 320
 321 This pass is used to seek out all of the types in use by the program.  Note
 322 that this analysis explicitly does not include types only used by the symbol
 323 table.
 324
 325 ``-regions``: Detect single entry single exit regions
 326 -----------------------------------------------------
 327
 328 The ``RegionInfo`` pass detects single entry single exit regions in a function,
 329 where a region is defined as any subgraph that is connected to the remaining
 330 graph at only two spots.  Furthermore, an hierarchical region tree is built.
 331
 332 ``-scalar-evolution``: Scalar Evolution Analysis
 333 ------------------------------------------------
 334
 335 The ``ScalarEvolution`` analysis can be used to analyze and catagorize scalar
 336 expressions in loops.  It specializes in recognizing general induction
 337 variables, representing them with the abstract and opaque ``SCEV`` class.
 338 Given this analysis, trip counts of loops and other important properties can be
 339 obtained.
 340
 341 This analysis is primarily useful for induction variable substitution and
 342 strength reduction.
 343
 344 ``-scev-aa``: ScalarEvolution-based Alias Analysis
 345 --------------------------------------------------
 346
 347 Simple alias analysis implemented in terms of ``ScalarEvolution`` queries.
 348
 349 This differs from traditional loop dependence analysis in that it tests for
 350 dependencies within a single iteration of a loop, rather than dependencies
 351 between different iterations.
 352
 353 ``ScalarEvolution`` has a more complete understanding of pointer arithmetic
 354 than ``BasicAliasAnalysis``' collection of ad-hoc analyses.
 355
 356 ``-targetdata``: Target Data Layout
 357 -----------------------------------
 358
 359 Provides other passes access to information on how the size and alignment
 360 required by the target ABI for various data types.
 361
 362 Transform Passes
 363 ================
 364
 365 This section describes the LLVM Transform Passes.
 366
 367 ``-adce``: Aggressive Dead Code Elimination
 368 -------------------------------------------
 369
 370 ADCE aggressively tries to eliminate code.  This pass is similar to :ref:`DCE
 371 <passes-dce>` but it assumes that values are dead until proven otherwise.  This
 372 is similar to :ref:`SCCP <passes-sccp>`, except applied to the liveness of
 373 values.
 374
 375 ``-always-inline``: Inliner for ``always_inline`` functions
 376 -----------------------------------------------------------
 377
 378 A custom inliner that handles only functions that are marked as "always
 379 inline".
 380
 381 ``-argpromotion``: Promote 'by reference' arguments to scalars
 382 --------------------------------------------------------------
 383
 384 This pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
 385 practice, this means looking for internal functions that have pointer
 386 arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
 387 argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function instead
 388 of the address of the value.  This can cause recursive simplification of code
 389 and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template code like
 390 the STL).
 391
 392 This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
 393 scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
 394 it refuses to scalarize aggregates which would require passing in more than
 395 three operands to the function, because passing thousands of operands for a
 396 large array or structure is unprofitable!
 397
 398 Note that this transformation could also be done for arguments that are only
 399 stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
 400 would be best handled when and if LLVM starts supporting multiple return values
 401 from functions.
 402
 403 ``-bb-vectorize``: Basic-Block Vectorization
 404 --------------------------------------------
 405
 406 This pass combines instructions inside basic blocks to form vector
 407 instructions.  It iterates over each basic block, attempting to pair compatible
 408 instructions, repeating this process until no additional pairs are selected for
 409 vectorization.  When the outputs of some pair of compatible instructions are
 410 used as inputs by some other pair of compatible instructions, those pairs are
 411 part of a potential vectorization chain.  Instruction pairs are only fused into
 412 vector instructions when they are part of a chain longer than some threshold
 413 length.  Moreover, the pass attempts to find the best possible chain for each
 414 pair of compatible instructions.  These heuristics are intended to prevent
 415 vectorization in cases where it would not yield a performance increase of the
 416 resulting code.
 417
 418 ``-block-placement``: Profile Guided Basic Block Placement
 419 ----------------------------------------------------------
 420
 421 This pass is a very simple profile guided basic block placement algorithm.  The
 422 idea is to put frequently executed blocks together at the start of the function
 423 and hopefully increase the number of fall-through conditional branches.  If
 424 there is no profile information for a particular function, this pass basically
 425 orders blocks in depth-first order.
 426
 427 ``-break-crit-edges``: Break critical edges in CFG
 428 --------------------------------------------------
 429
 430 Break all of the critical edges in the CFG by inserting a dummy basic block.
 431 It may be "required" by passes that cannot deal with critical edges.  This
 432 transformation obviously invalidates the CFG, but can update forward dominator
 433 (set, immediate dominators, tree, and frontier) information.
 434
 435 ``-codegenprepare``: Optimize for code generation
 436 -------------------------------------------------
 437
 438 This pass munges the code in the input function to better prepare it for
 439 SelectionDAG-based code generation.  This works around limitations in its
 440 basic-block-at-a-time approach.  It should eventually be removed.
 441
 442 ``-constmerge``: Merge Duplicate Global Constants
 443 -------------------------------------------------
 444
 445 Merges duplicate global constants together into a single constant that is
 446 shared.  This is useful because some passes (i.e., TraceValues) insert a lot of
 447 string constants into the program, regardless of whether or not an existing
 448 string is available.
 449
 450 ``-constprop``: Simple constant propagation
 451 -------------------------------------------
 452
 453 This pass implements constant propagation and merging.  It looks for
 454 instructions involving only constant operands and replaces them with a constant
 455 value instead of an instruction.  For example:
 456
 457 .. code-block:: llvm
 458
 459   add i32 1, 2
 460
 461 becomes
 462
 463 .. code-block:: llvm
 464
 465   i32 3
 466
 467 NOTE: this pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good idea
 468 to run a :ref:`Dead Instruction Elimination <passes-die>` pass sometime after
 469 running this pass.
 470
 471 .. _passes-dce:
 472
 473 ``-dce``: Dead Code Elimination
 474 -------------------------------
 475
 476 Dead code elimination is similar to :ref:`dead instruction elimination
 477 <passes-die>`, but it rechecks instructions that were used by removed
 478 instructions to see if they are newly dead.
 479
 480 ``-deadargelim``: Dead Argument Elimination
 481 -------------------------------------------
 482
 483 This pass deletes dead arguments from internal functions.  Dead argument
 484 elimination removes arguments which are directly dead, as well as arguments
 485 only passed into function calls as dead arguments of other functions.  This
 486 pass also deletes dead arguments in a similar way.
 487
 488 This pass is often useful as a cleanup pass to run after aggressive
 489 interprocedural passes, which add possibly-dead arguments.
 490
 491 ``-deadtypeelim``: Dead Type Elimination
 492 ----------------------------------------
 493
 494 This pass is used to cleanup the output of GCC.  It eliminate names for types
 495 that are unused in the entire translation unit, using the :ref:`find used types
 496 <passes-print-used-types>` pass.
 497
 498 .. _passes-die:
 499
 500 ``-die``: Dead Instruction Elimination
 501 --------------------------------------
 502
 503 Dead instruction elimination performs a single pass over the function, removing
 504 instructions that are obviously dead.
 505
 506 ``-dse``: Dead Store Elimination
 507 --------------------------------
 508
 509 A trivial dead store elimination that only considers basic-block local
 510 redundant stores.
 511
 512 .. _passes-functionattrs:
 513
 514 ``-functionattrs``: Deduce function attributes
 515 ----------------------------------------------
 516
 517 A simple interprocedural pass which walks the call-graph, looking for functions
 518 which do not access or only read non-local memory, and marking them
 519 ``readnone``/``readonly``.  In addition, it marks function arguments (of
 520 pointer type) "``nocapture``" if a call to the function does not create any
 521 copies of the pointer value that outlive the call.  This more or less means
 522 that the pointer is only dereferenced, and not returned from the function or
 523 stored in a global.  This pass is implemented as a bottom-up traversal of the
 524 call-graph.
 525
 526 ``-globaldce``: Dead Global Elimination
 527 ---------------------------------------
 528
 529 This transform is designed to eliminate unreachable internal globals from the
 530 program.  It uses an aggressive algorithm, searching out globals that are known
 531 to be alive.  After it finds all of the globals which are needed, it deletes
 532 whatever is left over.  This allows it to delete recursive chunks of the
 533 program which are unreachable.
 534
 535 ``-globalopt``: Global Variable Optimizer
 536 -----------------------------------------
 537
 538 This pass transforms simple global variables that never have their address
 539 taken.  If obviously true, it marks read/write globals as constant, deletes
 540 variables only stored to, etc.
 541
 542 ``-gvn``: Global Value Numbering
 543 --------------------------------
 544
 545 This pass performs global value numbering to eliminate fully and partially
 546 redundant instructions.  It also performs redundant load elimination.
 547
 548 .. _passes-indvars:
 549
 550 ``-indvars``: Canonicalize Induction Variables
 551 ----------------------------------------------
 552
 553 This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
 554 computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
 555 analysis and transformation.
 556
 557 This transformation makes the following changes to each loop with an
 558 identifiable induction variable:
 559
 560 * All loops are transformed to have a *single* canonical induction variable
 561   which starts at zero and steps by one.
 562 * The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node in
 563   the loop header block.
 564 * Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
 565
 566 If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
 567 changes:
 568
 569 * The exit condition for the loop is canonicalized to compare the induction
 570   value against the exit value.  This turns loops like:
 571
 572   .. code-block:: c++
 573
 574     for (i = 7; i*i < 1000; ++i)
 575
 576     into
 577
 578   .. code-block:: c++
 579
 580     for (i = 0; i != 25; ++i)
 581
 582 * Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar is
 583   changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating the
 584   dependence on the exit value of the induction variable.  If the only purpose
 585   of the loop is to compute the exit value of some derived expression, this
 586   transformation will make the loop dead.
 587
 588 This transformation should be followed by strength reduction after all of the
 589 desired loop transformations have been performed.  Additionally, on targets
 590 where it is profitable, the loop could be transformed to count down to zero
 591 (the "do loop" optimization).
 592
 593 ``-inline``: Function Integration/Inlining
 594 ------------------------------------------
 595
 596 Bottom-up inlining of functions into callees.
 597
 598 .. _passes-instcombine:
 599
 600 ``-instcombine``: Combine redundant instructions
 601 ------------------------------------------------
 602
 603 Combine instructions to form fewer, simple instructions.  This pass does not
 604 modify the CFG. This pass is where algebraic simplification happens.
 605
 606 This pass combines things like:
 607
 608 .. code-block:: llvm
 609
 610   %Y = add i32 %X, 1
 611   %Z = add i32 %Y, 1
 612
 613 into:
 614
 615 .. code-block:: llvm
 616
 617   %Z = add i32 %X, 2
 618
 619 This is a simple worklist driven algorithm.
 620
 621 This pass guarantees that the following canonicalizations are performed on the
 622 program:
 623
 624 #. If a binary operator has a constant operand, it is moved to the right-hand
 625    side.
 626 #. Bitwise operators with constant operands are always grouped so that shifts
 627    are performed first, then ``or``\ s, then ``and``\ s, then ``xor``\ s.
 628 #. Compare instructions are converted from ``<``, ``>``, ``≤``, or ``≥`` to
 629    ``=`` or ``≠`` if possible.
 630 #. All ``cmp`` instructions on boolean values are replaced with logical
 631    operations.
 632 #. ``add X, X`` is represented as ``mul X, 2`` ⇒ ``shl X, 1``
 633 #. Multiplies with a constant power-of-two argument are transformed into
 634    shifts.
 635 #. … etc.
 636
 637 This pass can also simplify calls to specific well-known function calls (e.g.
 638 runtime library functions).  For example, a call ``exit(3)`` that occurs within
 639 the ``main()`` function can be transformed into simply ``return 3``. Whether or
 640 not library calls are simplified is controlled by the
 641 :ref:`-functionattrs <passes-functionattrs>` pass and LLVM's knowledge of
 642 library calls on different targets.
 643
 644 .. _passes-aggressive-instcombine:
 645
 646 ``-aggressive-instcombine``: Combine expression patterns
 647 --------------------------------------------------------
 648
 649 Combine expression patterns to form expressions with fewer, simple instructions.
 650 This pass does not modify the CFG.
 651
 652 For example, this pass reduce width of expressions post-dominated by TruncInst
 653 into smaller width when applicable.
 654
 655 It differs from instcombine pass in that it contains pattern optimization that
 656 requires higher complexity than the O(1), thus, it should run fewer times than
 657 instcombine pass.
 658
 659 ``-internalize``: Internalize Global Symbols
 660 --------------------------------------------
 661
 662 This pass loops over all of the functions in the input module, looking for a
 663 main function.  If a main function is found, all other functions and all global
 664 variables with initializers are marked as internal.
 665
 666 ``-ipconstprop``: Interprocedural constant propagation
 667 ------------------------------------------------------
 668
 669 This pass implements an *extremely* simple interprocedural constant propagation
 670 pass.  It could certainly be improved in many different ways, like using a
 671 worklist.  This pass makes arguments dead, but does not remove them.  The
 672 existing dead argument elimination pass should be run after this to clean up
 673 the mess.
 674
 675 ``-ipsccp``: Interprocedural Sparse Conditional Constant Propagation
 676 --------------------------------------------------------------------
 677
 678 An interprocedural variant of :ref:`Sparse Conditional Constant Propagation
 679 <passes-sccp>`.
 680
 681 ``-jump-threading``: Jump Threading
 682 -----------------------------------
 683
 684 Jump threading tries to find distinct threads of control flow running through a
 685 basic block.  This pass looks at blocks that have multiple predecessors and
 686 multiple successors.  If one or more of the predecessors of the block can be
 687 proven to always cause a jump to one of the successors, we forward the edge
 688 from the predecessor to the successor by duplicating the contents of this
 689 block.
 690
 691 An example of when this can occur is code like this:
 692
 693 .. code-block:: c++
 694
 695   if () { ...
 696     X = 4;
 697   }
 698   if (X < 3) {
 699
 700 In this case, the unconditional branch at the end of the first if can be
 701 revectored to the false side of the second if.
 702
 703 ``-lcssa``: Loop-Closed SSA Form Pass
 704 -------------------------------------
 705
 706 This pass transforms loops by placing phi nodes at the end of the loops for all
 707 values that are live across the loop boundary.  For example, it turns the left
 708 into the right code:
 709
 710 .. code-block:: c++
 711
 712   for (...)                for (...)
 713       if (c)                   if (c)
 714           X1 = ...                 X1 = ...
 715       else                     else
 716           X2 = ...                 X2 = ...
 717       X3 = phi(X1, X2)         X3 = phi(X1, X2)
 718   ... = X3 + 4              X4 = phi(X3)
 719                               ... = X4 + 4
 720
 721 This is still valid LLVM; the extra phi nodes are purely redundant, and will be
 722 trivially eliminated by ``InstCombine``.  The major benefit of this
 723 transformation is that it makes many other loop optimizations, such as
 724 ``LoopUnswitch``\ ing, simpler.
 725
 726 .. _passes-licm:
 727
 728 ``-licm``: Loop Invariant Code Motion
 729 -------------------------------------
 730
 731 This pass performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
 732 code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting code
 733 into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is safe.
 734 This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to live in
 735 registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
 736
 737 This pass uses alias analysis for two purposes:
 738
 739 #. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
 740    that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to, we
 741    can hoist it or sink it like any other instruction.
 742
 743 #. Scalar Promotion of Memory.  If there is a store instruction inside of the
 744    loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of inside of
 745    the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
 746
 747    #. The pointer stored through is loop invariant.
 748    #. There are no stores or loads in the loop which *may* alias the pointer.
 749       There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
 750
 751    If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
 752    loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use the
 753    :ref:`mem2reg <passes-mem2reg>` functionality to construct the appropriate
 754    SSA form for the variable.
 755
 756 ``-loop-deletion``: Delete dead loops
 757 -------------------------------------
 758
 759 This file implements the Dead Loop Deletion Pass.  This pass is responsible for
 760 eliminating loops with non-infinite computable trip counts that have no side
 761 effects or volatile instructions, and do not contribute to the computation of
 762 the function's return value.
 763
 764 .. _passes-loop-extract:
 765
 766 ``-loop-extract``: Extract loops into new functions
 767 ---------------------------------------------------
 768
 769 A pass wrapper around the ``ExtractLoop()`` scalar transformation to extract
 770 each top-level loop into its own new function.  If the loop is the *only* loop
 771 in a given function, it is not touched.  This is a pass most useful for
 772 debugging via bugpoint.
 773
 774 ``-loop-extract-single``: Extract at most one loop into a new function
 775 ----------------------------------------------------------------------
 776
 777 Similar to :ref:`Extract loops into new functions <passes-loop-extract>`, this
 778 pass extracts one natural loop from the program into a function if it can.
 779 This is used by :program:`bugpoint`.
 780
 781 ``-loop-reduce``: Loop Strength Reduction
 782 -----------------------------------------
 783
 784 This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
 785 have as one or more of their components the loop induction variable.  This is
 786 accomplished by creating a new value to hold the initial value of the array
 787 access for the first iteration, and then creating a new GEP instruction in the
 788 loop to increment the value by the appropriate amount.
 789
 790 ``-loop-rotate``: Rotate Loops
 791 ------------------------------
 792
 793 A simple loop rotation transformation.
 794
 795 ``-loop-simplify``: Canonicalize natural loops
 796 ----------------------------------------------
 797
 798 This pass performs several transformations to transform natural loops into a
 799 simpler form, which makes subsequent analyses and transformations simpler and
 800 more effective.
 801
 802 Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical entry
 803 edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a number of
 804 analyses and transformations, such as :ref:`LICM <passes-licm>`.
 805
 806 Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop (blocks
 807 which are outside of the loop that have predecessors inside of the loop) only
 808 have predecessors from inside of the loop (and are thus dominated by the loop
 809 header).  This simplifies transformations such as store-sinking that are built
 810 into LICM.
 811
 812 This pass also guarantees that loops will have exactly one backedge.
 813
 814 Note that the :ref:`simplifycfg <passes-simplifycfg>` pass will clean up blocks
 815 which are split out but end up being unnecessary, so usage of this pass should
 816 not pessimize generated code.
 817
 818 This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
 819 dominator information.
 820
 821 ``-loop-unroll``: Unroll loops
 822 ------------------------------
 823
 824 This pass implements a simple loop unroller.  It works best when loops have
 825 been canonicalized by the :ref:`indvars <passes-indvars>` pass, allowing it to
 826 determine the trip counts of loops easily.
 827
 828 ``-loop-unswitch``: Unswitch loops
 829 ----------------------------------
 830
 831 This pass transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
 832 to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
 833
 834 .. code-block:: c++
 835
 836   for (...)                  if (lic)
 837       A                          for (...)
 838       if (lic)                       A; B; C
 839           B                  else
 840       C                          for (...)
 841                                      A; C
 842
 843 This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time a
 844 loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be smaller
 845 than a threshold.
 846
 847 This pass expects :ref:`LICM <passes-licm>` to be run before it to hoist
 848 invariant conditions out of the loop, to make the unswitching opportunity
 849 obvious.
 850
 851 ``-loweratomic``: Lower atomic intrinsics to non-atomic form
 852 ------------------------------------------------------------
 853
 854 This pass lowers atomic intrinsics to non-atomic form for use in a known
 855 non-preemptible environment.
 856
 857 The pass does not verify that the environment is non-preemptible (in general
 858 this would require knowledge of the entire call graph of the program including
 859 any libraries which may not be available in bitcode form); it simply lowers
 860 every atomic intrinsic.
 861
 862 ``-lowerinvoke``: Lower invokes to calls, for unwindless code generators
 863 ------------------------------------------------------------------------
 864
 865 This transformation is designed for use by code generators which do not yet
 866 support stack unwinding.  This pass converts ``invoke`` instructions to
 867 ``call`` instructions, so that any exception-handling ``landingpad`` blocks
 868 become dead code (which can be removed by running the ``-simplifycfg`` pass
 869 afterwards).
 870
 871 ``-lowerswitch``: Lower ``SwitchInst``\ s to branches
 872 -----------------------------------------------------
 873
 874 Rewrites switch instructions with a sequence of branches, which allows targets
 875 to get away with not implementing the switch instruction until it is
 876 convenient.
 877
 878 .. _passes-mem2reg:
 879
 880 ``-mem2reg``: Promote Memory to Register
 881 ----------------------------------------
 882
 883 This file promotes memory references to be register references.  It promotes
 884 alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An ``alloca`` is
 885 transformed by using dominator frontiers to place phi nodes, then traversing
 886 the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
 887 This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned" SSA
 888 form.
 889
 890 ``-memcpyopt``: MemCpy Optimization
 891 -----------------------------------
 892
 893 This pass performs various transformations related to eliminating ``memcpy``
 894 calls, or transforming sets of stores into ``memset``\ s.
 895
 896 ``-mergefunc``: Merge Functions
 897 -------------------------------
 898
 899 This pass looks for equivalent functions that are mergable and folds them.
 900
 901 Total-ordering is introduced among the functions set: we define comparison
 902 that answers for every two functions which of them is greater. It allows to
 903 arrange functions into the binary tree.
 904
 905 For every new function we check for equivalent in tree.
 906
 907 If equivalent exists we fold such functions. If both functions are overridable,
 908 we move the functionality into a new internal function and leave two
 909 overridable thunks to it.
 910
 911 If there is no equivalent, then we add this function to tree.
 912
 913 Lookup routine has O(log(n)) complexity, while whole merging process has
 914 complexity of O(n*log(n)).
 915
 916 Read
 917 :doc:`this <MergeFunctions>`
 918 article for more details.
 919
 920 ``-mergereturn``: Unify function exit nodes
 921 -------------------------------------------
 922
 923 Ensure that functions have at most one ``ret`` instruction in them.
 924 Additionally, it keeps track of which node is the new exit node of the CFG.
 925
 926 ``-partial-inliner``: Partial Inliner
 927 -------------------------------------
 928
 929 This pass performs partial inlining, typically by inlining an ``if`` statement
 930 that surrounds the body of the function.
 931
 932 ``-prune-eh``: Remove unused exception handling info
 933 ----------------------------------------------------
 934
 935 This file implements a simple interprocedural pass which walks the call-graph,
 936 turning invoke instructions into call instructions if and only if the callee
 937 cannot throw an exception.  It implements this as a bottom-up traversal of the
 938 call-graph.
 939
 940 ``-reassociate``: Reassociate expressions
 941 -----------------------------------------
 942
 943 This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed to
 944 promote better constant propagation, GCSE, :ref:`LICM <passes-licm>`, PRE, etc.
 945
 946 For example: 4 + (x + 5) ⇒ x + (4 + 5)
 947
 948 In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
 949 function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
 950 corresponding to the reverse post order traversal of current function (starting
 951 at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank than values not
 952 in loops.
 953
 954 ``-reg2mem``: Demote all values to stack slots
 955 ----------------------------------------------
 956
 957 This file demotes all registers to memory references.  It is intended to be the
 958 inverse of :ref:`mem2reg <passes-mem2reg>`.  By converting to ``load``
 959 instructions, the only values live across basic blocks are ``alloca``
 960 instructions and ``load`` instructions before ``phi`` nodes.  It is intended
 961 that this should make CFG hacking much easier.  To make later hacking easier,
 962 the entry block is split into two, such that all introduced ``alloca``
 963 instructions (and nothing else) are in the entry block.
 964
 965 ``-sroa``: Scalar Replacement of Aggregates
 966 ------------------------------------------------------
 967
 968 The well-known scalar replacement of aggregates transformation.  This transform
 969 breaks up ``alloca`` instructions of aggregate type (structure or array) into
 970 individual ``alloca`` instructions for each member if possible.  Then, if
 971 possible, it transforms the individual ``alloca`` instructions into nice clean
 972 scalar SSA form.
 973
 974 .. _passes-sccp:
 975
 976 ``-sccp``: Sparse Conditional Constant Propagation
 977 --------------------------------------------------
 978
 979 Sparse conditional constant propagation and merging, which can be summarized
 980 as:
 981
 982 * Assumes values are constant unless proven otherwise
 983 * Assumes BasicBlocks are dead unless proven otherwise
 984 * Proves values to be constant, and replaces them with constants
 985 * Proves conditional branches to be unconditional
 986
 987 Note that this pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good
 988 idea to run a :ref:`DCE <passes-dce>` pass sometime after running this pass.
 989
 990 .. _passes-simplifycfg:
 991
 992 ``-simplifycfg``: Simplify the CFG
 993 ----------------------------------
 994
 995 Performs dead code elimination and basic block merging.  Specifically:
 996
 997 * Removes basic blocks with no predecessors.
 998 * Merges a basic block into its predecessor if there is only one and the
 999   predecessor only has one successor.
1000 * Eliminates PHI nodes for basic blocks with a single predecessor.
1001 * Eliminates a basic block that only contains an unconditional branch.
1002
1003 ``-sink``: Code sinking
1004 -----------------------
1005
1006 This pass moves instructions into successor blocks, when possible, so that they
1007 aren't executed on paths where their results aren't needed.
1008
1009 ``-strip``: Strip all symbols from a module
1010 -------------------------------------------
1011
1012 Performs code stripping.  This transformation can delete:
1013
1014 * names for virtual registers
1015 * symbols for internal globals and functions
1016 * debug information
1017
1018 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1019 be used in situations where the strip utility would be used, such as reducing
1020 code size or making it harder to reverse engineer code.
1021
1022 ``-strip-dead-debug-info``: Strip debug info for unused symbols
1023 ---------------------------------------------------------------
1024
1025 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1026
1027 performs code stripping. this transformation can delete:
1028
1029 * names for virtual registers
1030 * symbols for internal globals and functions
1031 * debug information
1032
1033 note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1034 be used in situations where the strip utility would be used, such as reducing
1035 code size or making it harder to reverse engineer code.
1036
1037 ``-strip-dead-prototypes``: Strip Unused Function Prototypes
1038 ------------------------------------------------------------
1039
1040 This pass loops over all of the functions in the input module, looking for dead
1041 declarations and removes them.  Dead declarations are declarations of functions
1042 for which no implementation is available (i.e., declarations for unused library
1043 functions).
1044
1045 ``-strip-debug-declare``: Strip all ``llvm.dbg.declare`` intrinsics
1046 -------------------------------------------------------------------
1047
1048 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1049
1050 This pass implements code stripping.  Specifically, it can delete:
1051
1052 #. names for virtual registers
1053 #. symbols for internal globals and functions
1054 #. debug information
1055
1056 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1057 be used in situations where the 'strip' utility would be used, such as reducing
1058 code size or making it harder to reverse engineer code.
1059
1060 ``-strip-nondebug``: Strip all symbols, except dbg symbols, from a module
1061 -------------------------------------------------------------------------
1062
1063 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1064
1065 This pass implements code stripping.  Specifically, it can delete:
1066
1067 #. names for virtual registers
1068 #. symbols for internal globals and functions
1069 #. debug information
1070
1071 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1072 be used in situations where the 'strip' utility would be used, such as reducing
1073 code size or making it harder to reverse engineer code.
1074
1075 ``-tailcallelim``: Tail Call Elimination
1076 ----------------------------------------
1077
1078 This file transforms calls of the current function (self recursion) followed by
1079 a return instruction with a branch to the entry of the function, creating a
1080 loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
1081 algorithm:
1082
1083 #. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
1084    transformation from taking place, though currently the analysis cannot
1085    support moving any really useful instructions (only dead ones).
1086 #. This pass transforms functions that are prevented from being tail recursive
1087    by an associative expression to use an accumulator variable, thus compiling
1088    the typical naive factorial or fib implementation into efficient code.
1089 #. TRE is performed if the function returns void, if the return returns the
1090    result returned by the call, or if the function returns a run-time constant
1091    on all exits from the function.  It is possible, though unlikely, that the
1092    return returns something else (like constant 0), and can still be TRE'd.  It
1093    can be TRE'd if *all other* return instructions in the function return the
1094    exact same value.
1095 #. If it can prove that callees do not access theier caller stack frame, they
1096    are marked as eligible for tail call elimination (by the code generator).
1097
1098 Utility Passes
1099 ==============
1100
1101 This section describes the LLVM Utility Passes.
1102
1103 ``-deadarghaX0r``: Dead Argument Hacking (BUGPOINT USE ONLY; DO NOT USE)
1104 ------------------------------------------------------------------------
1105
1106 Same as dead argument elimination, but deletes arguments to functions which are
1107 external.  This is only for use by :doc:`bugpoint <Bugpoint>`.
1108
1109 ``-extract-blocks``: Extract Basic Blocks From Module (for bugpoint use)
1110 ------------------------------------------------------------------------
1111
1112 This pass is used by bugpoint to extract all blocks from the module into their
1113 own functions.
1114
1115 ``-instnamer``: Assign names to anonymous instructions
1116 ------------------------------------------------------
1117
1118 This is a little utility pass that gives instructions names, this is mostly
1119 useful when diffing the effect of an optimization because deleting an unnamed
1120 instruction can change all other instruction numbering, making the diff very
1121 noisy.
1122
1123 .. _passes-verify:
1124
1125 ``-verify``: Module Verifier
1126 ----------------------------
1127
1128 Verifies an LLVM IR code.  This is useful to run after an optimization which is
1129 undergoing testing.  Note that llvm-as verifies its input before emitting
1130 bitcode, and also that malformed bitcode is likely to make LLVM crash.  All
1131 language front-ends are therefore encouraged to verify their output before
1132 performing optimizing transformations.
1133
1134 #. Both of a binary operator's parameters are of the same type.
1135 #. Verify that the indices of mem access instructions match other operands.
1136 #. Verify that arithmetic and other things are only performed on first-class
1137    types.  Verify that shifts and logicals only happen on integrals f.e.
1138 #. All of the constants in a switch statement are of the correct type.
1139 #. The code is in valid SSA form.
1140 #. It is illegal to put a label into any other type (like a structure) or to
1141    return one.
1142 #. Only phi nodes can be self referential: ``%x = add i32 %x``, ``%x`` is
1143    invalid.
1144 #. PHI nodes must have an entry for each predecessor, with no extras.
1145 #. PHI nodes must be the first thing in a basic block, all grouped together.
1146 #. PHI nodes must have at least one entry.
1147 #. All basic blocks should only end with terminator insts, not contain them.
1148 #. The entry node to a function must not have predecessors.
1149 #. All Instructions must be embedded into a basic block.
1150 #. Functions cannot take a void-typed parameter.
1151 #. Verify that a function's argument list agrees with its declared type.
1152 #. It is illegal to specify a name for a void value.
1153 #. It is illegal to have an internal global value with no initializer.
1154 #. It is illegal to have a ``ret`` instruction that returns a value that does
1155    not agree with the function return value type.
1156 #. Function call argument types match the function prototype.
1157 #. All other things that are tested by asserts spread about the code.
1158
1159 Note that this does not provide full security verification (like Java), but
1160 instead just tries to ensure that code is well-formed.
1161
1162 ``-view-cfg``: View CFG of function
1163 -----------------------------------
1164
1165 Displays the control flow graph using the GraphViz tool.
1166
1167 ``-view-cfg-only``: View CFG of function (with no function bodies)
1168 ------------------------------------------------------------------
1169
1170 Displays the control flow graph using the GraphViz tool, but omitting function
1171 bodies.
1172
1173 ``-view-dom``: View dominance tree of function
1174 ----------------------------------------------
1175
1176 Displays the dominator tree using the GraphViz tool.
1177
1178 ``-view-dom-only``: View dominance tree of function (with no function bodies)
1179 -----------------------------------------------------------------------------
1180
1181 Displays the dominator tree using the GraphViz tool, but omitting function
1182 bodies.
1183
1184 ``-view-postdom``: View postdominance tree of function
1185 ------------------------------------------------------
1186
1187 Displays the post dominator tree using the GraphViz tool.
1188
1189 ``-view-postdom-only``: View postdominance tree of function (with no function bodies)
1190 -------------------------------------------------------------------------------------
1191
1192 Displays the post dominator tree using the GraphViz tool, but omitting function
1193 bodies.
1194