[clang] Handle __declspec() attributes in using
[llvm-project.git] / llvm / docs / NewPassManager.rst
bloba9fa72cf6eb8392cb4060200070bfcebdeaf4395
1 ==========================
2 Using the New Pass Manager
3 ==========================
5 .. contents::
6     :local:
8 Overview
9 ========
11 For an overview of the new pass manager, see the `blog post
12 <https://blog.llvm.org/posts/2021-03-26-the-new-pass-manager/>`_.
14 Just Tell Me How To Run The Default Optimization Pipeline With The New Pass Manager
15 ===================================================================================
17 .. code-block:: c++
19   // Create the analysis managers.
20   LoopAnalysisManager LAM;
21   FunctionAnalysisManager FAM;
22   CGSCCAnalysisManager CGAM;
23   ModuleAnalysisManager MAM;
25   // Create the new pass manager builder.
26   // Take a look at the PassBuilder constructor parameters for more
27   // customization, e.g. specifying a TargetMachine or various debugging
28   // options.
29   PassBuilder PB;
31   // Register all the basic analyses with the managers.
32   PB.registerModuleAnalyses(MAM);
33   PB.registerCGSCCAnalyses(CGAM);
34   PB.registerFunctionAnalyses(FAM);
35   PB.registerLoopAnalyses(LAM);
36   PB.crossRegisterProxies(LAM, FAM, CGAM, MAM);
38   // Create the pass manager.
39   // This one corresponds to a typical -O2 optimization pipeline.
40   ModulePassManager MPM = PB.buildPerModuleDefaultPipeline(OptimizationLevel::O2);
42   // Optimize the IR!
43   MPM.run(MyModule, MAM);
45 The C API also supports most of this, see ``llvm-c/Transforms/PassBuilder.h``.
47 Adding Passes to a Pass Manager
48 ===============================
50 For how to write a new PM pass, see :doc:`this page <WritingAnLLVMNewPMPass>`.
52 To add a pass to a new PM pass manager, the important thing is to match the
53 pass type and the pass manager type. For example, a ``FunctionPassManager``
54 can only contain function passes:
56 .. code-block:: c++
58   FunctionPassManager FPM;
59   // InstSimplifyPass is a function pass
60   FPM.addPass(InstSimplifyPass());
62 If you want to add a loop pass that runs on all loops in a function to a
63 ``FunctionPassManager``, the loop pass must be wrapped in a function pass
64 adaptor that goes through all the loops in the function and runs the loop
65 pass on each one.
67 .. code-block:: c++
69   FunctionPassManager FPM;
70   // LoopRotatePass is a loop pass
71   FPM.addPass(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopRotatePass()));
73 The IR hierarchy in terms of the new PM is Module -> (CGSCC ->) Function ->
74 Loop, where going through a CGSCC is optional.
76 .. code-block:: c++
78   FunctionPassManager FPM;
79   // loop -> function
80   FPM.addPass(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass()));
82   CGSCCPassManager CGPM;
83   // loop -> function -> cgscc
84   CGPM.addPass(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass())));
85   // function -> cgscc
86   CGPM.addPass(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass()));
88   ModulePassManager MPM;
89   // loop -> function -> module
90   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass())));
91   // function -> module
92   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass()));
94   // loop -> function -> cgscc -> module
95   MPM.addPass(createModuleToCGSCCPassAdaptor(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass()))));
96   // function -> cgscc -> module
97   MPM.addPass(createModuleToCGSCCPassAdaptor(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass())));
100 A pass manager of a specific IR unit is also a pass of that kind. For
101 example, a ``FunctionPassManager`` is a function pass, meaning it can be
102 added to a ``ModulePassManager``:
104 .. code-block:: c++
106   ModulePassManager MPM;
108   FunctionPassManager FPM;
109   // InstSimplifyPass is a function pass
110   FPM.addPass(InstSimplifyPass());
112   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(std::move(FPM)));
114 Generally you want to group CGSCC/function/loop passes together in a pass
115 manager, as opposed to adding adaptors for each pass to the containing upper
116 level pass manager. For example,
118 .. code-block:: c++
120   ModulePassManager MPM;
121   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionPass1()));
122   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionPass2()));
123   MPM.run();
125 will run ``FunctionPass1`` on each function in a module, then run
126 ``FunctionPass2`` on each function in the module. In contrast,
128 .. code-block:: c++
130   ModulePassManager MPM;
132   FunctionPassManager FPM;
133   FPM.addPass(FunctionPass1());
134   FPM.addPass(FunctionPass2());
136   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(std::move(FPM)));
138 will run ``FunctionPass1`` and ``FunctionPass2`` on the first function in a
139 module, then run both passes on the second function in the module, and so on.
140 This is better for cache locality around LLVM data structures. This similarly
141 applies for the other IR types, and in some cases can even affect the quality
142 of optimization. For example, running all loop passes on a loop may cause a
143 later loop to be able to be optimized more than if each loop pass were run
144 separately.
146 Inserting Passes into Default Pipelines
147 =======================================
149 Rather than manually adding passes to a pass manager, the typical way of
150 creating a pass manager is to use a ``PassBuilder`` and call something like
151 ``PassBuilder::buildPerModuleDefaultPipeline()`` which creates a typical
152 pipeline for a given optimization level.
154 Sometimes either frontends or backends will want to inject passes into the
155 pipeline. For example, frontends may want to add instrumentation, and target
156 backends may want to add passes that lower custom intrinsics. For these
157 cases, ``PassBuilder`` exposes callbacks that allow injecting passes into
158 certain parts of the pipeline. For example,
160 .. code-block:: c++
162   PassBuilder PB;
163   PB.registerPipelineStartEPCallback([&](ModulePassManager &MPM,
164                                          PassBuilder::OptimizationLevel Level) {
165       MPM.addPass(FooPass());
166   };
168 will add ``FooPass`` near the very beginning of the pipeline for pass
169 managers created by that ``PassBuilder``. See the documentation for
170 ``PassBuilder`` for the various places that passes can be added.
172 If a ``PassBuilder`` has a corresponding ``TargetMachine`` for a backend, it
173 will call ``TargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()`` to allow the
174 backend to inject passes into the pipeline.
176 Clang's ``BackendUtil.cpp`` shows examples of a frontend adding (mostly
177 sanitizer) passes to various parts of the pipeline.
178 ``AMDGPUTargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()`` is an example of a
179 backend adding passes to various parts of the pipeline.
181 Pass plugins can also add passes into default pipelines. Different tools have
182 different ways of loading dynamic pass plugins. For example, ``opt
183 -load-pass-plugin=path/to/plugin.so`` loads a pass plugin into ``opt``. For
184 information on writing a pass plugin, see :doc:`WritingAnLLVMNewPMPass`.
186 Using Analyses
187 ==============
189 LLVM provides many analyses that passes can use, such as a dominator tree.
190 Calculating these can be expensive, so the new pass manager has
191 infrastructure to cache analyses and reuse them when possible.
193 When a pass runs on some IR, it also receives an analysis manager which it can
194 query for analyses. Querying for an analysis will cause the manager to check if
195 it has already computed the result for the requested IR. If it already has and
196 the result is still valid, it will return that. Otherwise it will construct a
197 new result by calling the analysis's ``run()`` method, cache it, and return it.
198 You can also ask the analysis manager to only return an analysis if it's
199 already cached.
201 The analysis manager only provides analysis results for the same IR type as
202 what the pass runs on. For example, a function pass receives an analysis
203 manager that only provides function-level analyses. This works for many
204 passes which work on a fixed scope. However, some passes want to peek up or
205 down the IR hierarchy. For example, an SCC pass may want to look at function
206 analyses for the functions inside the SCC. Or it may want to look at some
207 immutable global analysis. In these cases, the analysis manager can provide a
208 proxy to an outer or inner level analysis manager. For example, to get a
209 ``FunctionAnalysisManager`` from a ``CGSCCAnalysisManager``, you can call
211 .. code-block:: c++
213   FunctionAnalysisManager &FAM =
214       AM.getResult<FunctionAnalysisManagerCGSCCProxy>(InitialC, CG)
215           .getManager();
217 and use ``FAM`` as a typical ``FunctionAnalysisManager`` that a function pass
218 would have access to. To get access to an outer level IR analysis, you can
219 call
221 .. code-block:: c++
223   const auto &MAMProxy =
224       AM.getResult<ModuleAnalysisManagerCGSCCProxy>(InitialC, CG);
225   FooAnalysisResult *AR = MAMProxy.getCachedResult<FooAnalysis>(M);
227 Asking for a cached and immutable outer level IR analysis works via
228 ``getCachedResult()``, but getting direct access to an outer level IR analysis
229 manager to compute an outer level IR analysis is not allowed. This is for a
230 couple reasons.
232 The first reason is that running analyses across outer level IR in inner level
233 IR passes can result in quadratic compile time behavior. For example, a module
234 analysis often scans every function and allowing function passes to run a module
235 analysis may cause us to scan functions a quadratic number of times. If passes
236 could keep outer level analyses up to date rather than computing them on demand
237 this wouldn't be an issue, but that would be a lot of work to ensure every pass
238 updates all outer level analyses, and so far this hasn't been necessary and
239 there isn't infrastructure for this (aside from function analyses in loop passes
240 as described below). Self-updating analyses that gracefully degrade also handle
241 this problem (e.g. GlobalsAA), but they run into the issue of having to be
242 manually recomputed somewhere in the optimization pipeline if we want precision,
243 and they block potential future concurrency.
245 The second reason is to keep in mind potential future pass concurrency, for
246 example parallelizing function passes over different functions in a CGSCC or
247 module. Since passes can ask for a cached analysis result, allowing passes to
248 trigger outer level analysis computation could result in non-determinism if
249 concurrency was supported. A related limitation is that outer level IR analyses
250 that are used must be immutable, or else they could be invalidated by changes to
251 inner level IR. Outer analyses unused by inner passes can and often will be
252 invalidated by changes to inner level IR. These invalidations happen after the
253 inner pass manager finishes, so accessing mutable analyses would give invalid
254 results.
256 The exception to not being able to access outer level analyses is accessing
257 function analyses in loop passes. Loop passes often use function analyses such
258 as the dominator tree. Loop passes inherently require modifying the function the
259 loop is in, and that includes some function analyses the loop analyses depend
260 on. This discounts future concurrency over separate loops in a function, but
261 that's a tradeoff due to how tightly a loop and its function are coupled. To
262 make sure the function analyses that loop passes use are valid, they are
263 manually updated in the loop passes to ensure that invalidation is not
264 necessary. There is a set of common function analyses that loop passes and
265 analyses have access to which is passed into loop passes as a
266 ``LoopStandardAnalysisResults`` parameter. Other mutable function analyses are
267 not accessible from loop passes.
269 As with any caching mechanism, we need some way to tell analysis managers
270 when results are no longer valid. Much of the analysis manager complexity
271 comes from trying to invalidate as few analysis results as possible to keep
272 compile times as low as possible.
274 There are two ways to deal with potentially invalid analysis results. One is
275 to simply force clear the results. This should generally only be used when
276 the IR that the result is keyed on becomes invalid. For example, a function
277 is deleted, or a CGSCC has become invalid due to call graph changes.
279 The typical way to invalidate analysis results is for a pass to declare what
280 types of analyses it preserves and what types it does not. When transforming
281 IR, a pass either has the option to update analyses alongside the IR
282 transformation, or tell the analysis manager that analyses are no longer
283 valid and should be invalidated. If a pass wants to keep some specific
284 analysis up to date, such as when updating it would be faster than
285 invalidating and recalculating it, the analysis itself may have methods to
286 update it for specific transformations, or there may be helper updaters like
287 ``DomTreeUpdater`` for a ``DominatorTree``. Otherwise to mark some analysis
288 as no longer valid, the pass can return a ``PreservedAnalyses`` with the
289 proper analyses invalidated.
291 .. code-block:: c++
293   // We've made no transformations that can affect any analyses.
294   return PreservedAnalyses::all();
296   // We've made transformations and don't want to bother to update any analyses.
297   return PreservedAnalyses::none();
299   // We've specifically updated the dominator tree alongside any transformations, but other analysis results may be invalid.
300   PreservedAnalyses PA;
301   PA.preserve<DominatorAnalysis>();
302   return PA;
304   // We haven't made any control flow changes, any analyses that only care about the control flow are still valid.
305   PreservedAnalyses PA;
306   PA.preserveSet<CFGAnalyses>();
307   return PA;
309 The pass manager will call the analysis manager's ``invalidate()`` method
310 with the pass's returned ``PreservedAnalyses``. This can be also done
311 manually within the pass:
313 .. code-block:: c++
315   FooModulePass::run(Module& M, ModuleAnalysisManager& AM) {
316     auto &FAM = AM.getResult<FunctionAnalysisManagerModuleProxy>(M).getManager();
318     // Invalidate all analysis results for function F1.
319     FAM.invalidate(F1, PreservedAnalyses::none());
321     // Invalidate all analysis results across the entire module.
322     AM.invalidate(M, PreservedAnalyses::none());
324     // Clear the entry in the analysis manager for function F2 if we've completely removed it from the module.
325     FAM.clear(F2);
327     ...
328   }
330 One thing to note when accessing inner level IR analyses is cached results for
331 deleted IR. If a function is deleted in a module pass, its address is still used
332 as the key for cached analyses. Take care in the pass to either clear the
333 results for that function or not use inner analyses at all.
335 ``AM.invalidate(M, PreservedAnalyses::none());`` will invalidate the inner
336 analysis manager proxy which will clear all cached analyses, conservatively
337 assuming that there are invalid addresses used as keys for cached analyses.
338 However, if you'd like to be more selective about which analyses are
339 cached/invalidated, you can mark the analysis manager proxy as preserved,
340 essentially saying that all deleted entries have been taken care of manually.
341 This should only be done with measurable compile time gains as it can be tricky
342 to make sure all the right analyses are invalidated.
344 Implementing Analysis Invalidation
345 ==================================
347 By default, an analysis is invalidated if ``PreservedAnalyses`` says that
348 analyses on the IR unit it runs on are not preserved (see
349 ``AnalysisResultModel::invalidate()``). An analysis can implement
350 ``invalidate()`` to be more conservative when it comes to invalidation. For
351 example,
353 .. code-block:: c++
355   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
356                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &) {
357     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
358     // the default would be:
359     // return !(PAC.preserved() || PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>());
360     return !(PAC.preserved() || PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>()
361         || PAC.preservedSet<CFGAnalyses>());
362   }
364 says that if the ``PreservedAnalyses`` specifically preserves
365 ``FooAnalysis``, or if ``PreservedAnalyses`` preserves all analyses (implicit
366 in ``PAC.preserved()``), or if ``PreservedAnalyses`` preserves all function
367 analyses, or ``PreservedAnalyses`` preserves all analyses that only care
368 about the CFG, the ``FooAnalysisResult`` should not be invalidated.
370 If an analysis is stateless and generally shouldn't be invalidated, use the
371 following:
373 .. code-block:: c++
375   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
376                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &) {
377     // Check whether the analysis has been explicitly invalidated. Otherwise, it's
378     // stateless and remains preserved.
379     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
380     return !PAC.preservedWhenStateless();
381   }
383 If an analysis depends on other analyses, those analyses also need to be
384 checked if they are invalidated:
386 .. code-block:: c++
388   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
389                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &) {
390     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
391     if (!PAC.preserved() && !PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>())
392       return true;
394     // Check transitive dependencies.
395     return Inv.invalidate<BarAnalysis>(F, PA) ||
396           Inv.invalidate<BazAnalysis>(F, PA);
397   }
399 Combining invalidation and analysis manager proxies results in some
400 complexity. For example, when we invalidate all analyses in a module pass,
401 we have to make sure that we also invalidate function analyses accessible via
402 any existing inner proxies. The inner proxy's ``invalidate()`` first checks
403 if the proxy itself should be invalidated. If so, that means the proxy may
404 contain pointers to IR that is no longer valid, meaning that the inner proxy
405 needs to completely clear all relevant analysis results. Otherwise the proxy
406 simply forwards the invalidation to the inner analysis manager.
408 Generally for outer proxies, analysis results from the outer analysis manager
409 should be immutable, so invalidation shouldn't be a concern. However, it is
410 possible for some inner analysis to depend on some outer analysis, and when
411 the outer analysis is invalidated, we need to make sure that dependent inner
412 analyses are also invalidated. This actually happens with alias analysis
413 results. Alias analysis is a function-level analysis, but there are
414 module-level implementations of specific types of alias analysis. Currently
415 ``GlobalsAA`` is the only module-level alias analysis and it generally is not
416 invalidated so this is not so much of a concern. See
417 ``OuterAnalysisManagerProxy::Result::registerOuterAnalysisInvalidation()``
418 for more details.
420 Invoking ``opt``
421 ================
423 To use the legacy pass manager:
425 .. code-block:: shell
427   $ opt -enable-new-pm=0 -pass1 -pass2 /tmp/a.ll -S
429 This will be removed once the legacy pass manager is deprecated and removed for
430 the optimization pipeline.
432 To use the new PM:
434 .. code-block:: shell
436   $ opt -passes='pass1,pass2' /tmp/a.ll -S
437   # -p is an alias for -passes
438   $ opt -p pass1,pass2 /tmp/a.ll -S
440 The new PM typically requires explicit pass nesting. For example, to run a
441 function pass, then a module pass, we need to wrap the function pass in a module
442 adaptor:
444 .. code-block:: shell
446   $ opt -passes='function(no-op-function),no-op-module' /tmp/a.ll -S
448 A more complete example, and ``-debug-pass-manager`` to show the execution
449 order:
451 .. code-block:: shell
453   $ opt -passes='no-op-module,cgscc(no-op-cgscc,function(no-op-function,loop(no-op-loop))),function(no-op-function,loop(no-op-loop))' /tmp/a.ll -S -debug-pass-manager
455 Improper nesting can lead to error messages such as
457 .. code-block:: shell
459   $ opt -passes='no-op-function,no-op-module' /tmp/a.ll -S
460   opt: unknown function pass 'no-op-module'
462 The nesting is: module (-> cgscc) -> function -> loop, where the CGSCC nesting is optional.
464 There are a couple of special cases for easier typing:
466 * If the first pass is not a module pass, a pass manager of the first pass is
467   implicitly created
469   * For example, the following are equivalent
471 .. code-block:: shell
473   $ opt -passes='no-op-function,no-op-function' /tmp/a.ll -S
474   $ opt -passes='function(no-op-function,no-op-function)' /tmp/a.ll -S
476 * If there is an adaptor for a pass that lets it fit in the previous pass
477   manager, that is implicitly created
479   * For example, the following are equivalent
481 .. code-block:: shell
483   $ opt -passes='no-op-function,no-op-loop' /tmp/a.ll -S
484   $ opt -passes='no-op-function,loop(no-op-loop)' /tmp/a.ll -S
486 For a list of available passes and analyses, including the IR unit (module,
487 CGSCC, function, loop) they operate on, run
489 .. code-block:: shell
491   $ opt --print-passes
493 or take a look at ``PassRegistry.def``.
495 To make sure an analysis named ``foo`` is available before a pass, add
496 ``require<foo>`` to the pass pipeline. This adds a pass that simply requests
497 that the analysis is run. This pass is also subject to proper nesting.  For
498 example, to make sure some function analysis is already computed for all
499 functions before a module pass:
501 .. code-block:: shell
503   $ opt -passes='function(require<my-function-analysis>),my-module-pass' /tmp/a.ll -S
505 Status of the New and Legacy Pass Managers
506 ==========================================
508 LLVM currently contains two pass managers, the legacy PM and the new PM. The
509 optimization pipeline (aka the middle-end) uses the new PM, whereas the backend
510 target-dependent code generation uses the legacy PM.
512 The legacy PM somewhat works with the optimization pipeline, but this is
513 deprecated and there are ongoing efforts to remove its usage.
515 Some IR passes are considered part of the backend codegen pipeline even if
516 they are LLVM IR passes (whereas all MIR passes are codegen passes). This
517 includes anything added via ``TargetPassConfig`` hooks, e.g.
518 ``TargetPassConfig::addCodeGenPrepare()``.
520 The ``TargetMachine::adjustPassManager()`` function that was used to extend a
521 legacy PM with passes on a per target basis has been removed. It was mainly
522 used from opt, but since support for using the default pipelines has been
523 removed in opt the function isn't needed any longer. In the new PM such
524 adjustments are done by using ``TargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()``.
526 Currently there are efforts to make the codegen pipeline work with the new