[docs] Add LICENSE.txt to the root of the mono-repo
[llvm-project.git] / llvm / docs / Passes.rst
blob7c0666992e8f5a328ee52a72b7324c04c1bee7d5
1 ..
2     If Passes.html is up to date, the following "one-liner" should print
3     an empty diff.
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//; $_ } sort @y;
23     print @x, @y;
24     EOT
26     This (real) one-liner can also be helpful when converting comments to HTML:
28     perl -e '$/ = 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'
30 ====================================
31 LLVM's Analysis and Transform Passes
32 ====================================
34 .. contents::
35     :local:
37 Introduction
38 ============
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.
53 Analysis Passes
54 ===============
56 This section describes the LLVM Analysis Passes.
58 ``-aa-eval``: Exhaustive Alias Analysis Precision Evaluator
59 -----------------------------------------------------------
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.
66 This is inspired and adapted from code by: Naveen Neelakantam, Francesco
67 Spadini, and Wojciech Stryjewski.
69 ``-basic-aa``: Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
70 -------------------------------------------------------
72 A basic alias analysis pass that implements identities (two different globals
73 cannot alias, etc), but does no stateful analysis.
75 ``-basiccg``: Basic CallGraph Construction
76 ------------------------------------------
78 Yet to be written.
80 ``-count-aa``: Count Alias Analysis Query Responses
81 ---------------------------------------------------
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.
86 .. _passes-da:
88 ``-da``: Dependence Analysis
89 ----------------------------
91 Dependence analysis framework, which is used to detect dependences in memory
92 accesses.
94 ``-debug-aa``: AA use debugger
95 ------------------------------
97 This simple pass checks alias analysis users to ensure that if they create a
98 new value, they do not query AA without informing it of the value.  It acts as
99 a shim over any other AA pass you want.
101 Yes keeping track of every value in the program is expensive, but this is a
102 debugging pass.
104 ``-domfrontier``: Dominance Frontier Construction
105 -------------------------------------------------
107 This pass is a simple dominator construction algorithm for finding forward
108 dominator frontiers.
110 ``-domtree``: Dominator Tree Construction
111 -----------------------------------------
113 This pass is a simple dominator construction algorithm for finding forward
114 dominators.
117 ``-dot-callgraph``: Print Call Graph to "dot" file
118 --------------------------------------------------
120 This pass, only available in ``opt``, prints the call graph into a ``.dot``
121 graph.  This graph can then be processed with the "dot" tool to convert it to
122 postscript or some other suitable format.
124 ``-dot-cfg``: Print CFG of function to "dot" file
125 -------------------------------------------------
127 This pass, only available in ``opt``, prints the control flow graph into a
128 ``.dot`` graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool
129 to convert it to postscript or some other suitable format.
130 Additionally the ``-cfg-func-name=<substring>`` option can be used to filter the
131 functions that are printed. All functions that contain the specified substring
132 will be printed.
134 ``-dot-cfg-only``: Print CFG of function to "dot" file (with no function bodies)
135 --------------------------------------------------------------------------------
137 This pass, only available in ``opt``, prints the control flow graph into a
138 ``.dot`` graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed
139 with the :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable
140 format.
141 Additionally the ``-cfg-func-name=<substring>`` option can be used to filter the
142 functions that are printed. All functions that contain the specified substring
143 will be printed.
145 ``-dot-dom``: Print dominance tree of function to "dot" file
146 ------------------------------------------------------------
148 This pass, only available in ``opt``, prints the dominator tree into a ``.dot``
149 graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool to
150 convert it to postscript or some other suitable format.
152 ``-dot-dom-only``: Print dominance tree of function to "dot" file (with no function bodies)
153 -------------------------------------------------------------------------------------------
155 This pass, only available in ``opt``, prints the dominator tree into a ``.dot``
156 graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed with the
157 :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable format.
159 ``-dot-postdom``: Print postdominance tree of function to "dot" file
160 --------------------------------------------------------------------
162 This pass, only available in ``opt``, prints the post dominator tree into a
163 ``.dot`` graph.  This graph can then be processed with the :program:`dot` tool
164 to convert it to postscript or some other suitable format.
166 ``-dot-postdom-only``: Print postdominance tree of function to "dot" file (with no function bodies)
167 ---------------------------------------------------------------------------------------------------
169 This pass, only available in ``opt``, prints the post dominator tree into a
170 ``.dot`` graph, omitting the function bodies.  This graph can then be processed
171 with the :program:`dot` tool to convert it to postscript or some other suitable
172 format.
174 ``-globalsmodref-aa``: Simple mod/ref analysis for globals
175 ----------------------------------------------------------
177 This simple pass provides alias and mod/ref information for global values that
178 do not have their address taken, and keeps track of whether functions read or
179 write memory (are "pure").  For this simple (but very common) case, we can
180 provide pretty accurate and useful information.
182 ``-instcount``: Counts the various types of ``Instruction``\ s
183 --------------------------------------------------------------
185 This pass collects the count of all instructions and reports them.
187 ``-intervals``: Interval Partition Construction
188 -----------------------------------------------
190 This analysis calculates and represents the interval partition of a function,
191 or a preexisting interval partition.
193 In this way, the interval partition may be used to reduce a flow graph down to
194 its degenerate single node interval partition (unless it is irreducible).
196 ``-iv-users``: Induction Variable Users
197 ---------------------------------------
199 Bookkeeping for "interesting" users of expressions computed from induction
200 variables.
202 ``-lazy-value-info``: Lazy Value Information Analysis
203 -----------------------------------------------------
205 Interface for lazy computation of value constraint information.
207 ``-libcall-aa``: LibCall Alias Analysis
208 ---------------------------------------
210 LibCall Alias Analysis.
212 ``-lint``: Statically lint-checks LLVM IR
213 -----------------------------------------
215 This pass statically checks for common and easily-identified constructs which
216 produce undefined or likely unintended behavior in LLVM IR.
218 It is not a guarantee of correctness, in two ways.  First, it isn't
219 comprehensive.  There are checks which could be done statically which are not
220 yet implemented.  Some of these are indicated by TODO comments, but those
221 aren't comprehensive either.  Second, many conditions cannot be checked
222 statically.  This pass does no dynamic instrumentation, so it can't check for
223 all possible problems.
225 Another limitation is that it assumes all code will be executed.  A store
226 through a null pointer in a basic block which is never reached is harmless, but
227 this pass will warn about it anyway.
229 Optimization passes may make conditions that this pass checks for more or less
230 obvious.  If an optimization pass appears to be introducing a warning, it may
231 be that the optimization pass is merely exposing an existing condition in the
232 code.
234 This code may be run before :ref:`instcombine <passes-instcombine>`.  In many
235 cases, instcombine checks for the same kinds of things and turns instructions
236 with undefined behavior into unreachable (or equivalent).  Because of this,
237 this pass makes some effort to look through bitcasts and so on.
239 ``-loops``: Natural Loop Information
240 ------------------------------------
242 This analysis is used to identify natural loops and determine the loop depth of
243 various nodes of the CFG.  Note that the loops identified may actually be
244 several natural loops that share the same header node... not just a single
245 natural loop.
247 ``-memdep``: Memory Dependence Analysis
248 ---------------------------------------
250 An analysis that determines, for a given memory operation, what preceding
251 memory operations it depends on.  It builds on alias analysis information, and
252 tries to provide a lazy, caching interface to a common kind of alias
253 information query.
255 ``-module-debuginfo``: Decodes module-level debug info
256 ------------------------------------------------------
258 This pass decodes the debug info metadata in a module and prints in a
259 (sufficiently-prepared-) human-readable form.
261 For example, run this pass from ``opt`` along with the ``-analyze`` option, and
262 it'll print to standard output.
264 ``-postdomfrontier``: Post-Dominance Frontier Construction
265 ----------------------------------------------------------
267 This pass is a simple post-dominator construction algorithm for finding
268 post-dominator frontiers.
270 ``-postdomtree``: Post-Dominator Tree Construction
271 --------------------------------------------------
273 This pass is a simple post-dominator construction algorithm for finding
274 post-dominators.
276 ``-print-alias-sets``: Alias Set Printer
277 ----------------------------------------
279 Yet to be written.
281 ``-print-callgraph``: Print a call graph
282 ----------------------------------------
284 This pass, only available in ``opt``, prints the call graph to standard error
285 in a human-readable form.
287 ``-print-callgraph-sccs``: Print SCCs of the Call Graph
288 -------------------------------------------------------
290 This pass, only available in ``opt``, prints the SCCs of the call graph to
291 standard error in a human-readable form.
293 ``-print-cfg-sccs``: Print SCCs of each function CFG
294 ----------------------------------------------------
296 This pass, only available in ``opt``, printsthe SCCs of each function CFG to
297 standard error in a human-readable fom.
299 ``-print-dom-info``: Dominator Info Printer
300 -------------------------------------------
302 Dominator Info Printer.
304 ``-print-externalfnconstants``: Print external fn callsites passed constants
305 ----------------------------------------------------------------------------
307 This pass, only available in ``opt``, prints out call sites to external
308 functions that are called with constant arguments.  This can be useful when
309 looking for standard library functions we should constant fold or handle in
310 alias analyses.
312 ``-print-function``: Print function to stderr
313 ---------------------------------------------
315 The ``PrintFunctionPass`` class is designed to be pipelined with other
316 ``FunctionPasses``, and prints out the functions of the module as they are
317 processed.
319 ``-print-module``: Print module to stderr
320 -----------------------------------------
322 This pass simply prints out the entire module when it is executed.
324 .. _passes-print-used-types:
326 ``-print-used-types``: Find Used Types
327 --------------------------------------
329 This pass is used to seek out all of the types in use by the program.  Note
330 that this analysis explicitly does not include types only used by the symbol
331 table.
333 ``-regions``: Detect single entry single exit regions
334 -----------------------------------------------------
336 The ``RegionInfo`` pass detects single entry single exit regions in a function,
337 where a region is defined as any subgraph that is connected to the remaining
338 graph at only two spots.  Furthermore, a hierarchical region tree is built.
340 .. _passes-scalar-evolution:
342 ``-scalar-evolution``: Scalar Evolution Analysis
343 ------------------------------------------------
345 The ``ScalarEvolution`` analysis can be used to analyze and categorize scalar
346 expressions in loops.  It specializes in recognizing general induction
347 variables, representing them with the abstract and opaque ``SCEV`` class.
348 Given this analysis, trip counts of loops and other important properties can be
349 obtained.
351 This analysis is primarily useful for induction variable substitution and
352 strength reduction.
354 ``-scev-aa``: ScalarEvolution-based Alias Analysis
355 --------------------------------------------------
357 Simple alias analysis implemented in terms of ``ScalarEvolution`` queries.
359 This differs from traditional loop dependence analysis in that it tests for
360 dependencies within a single iteration of a loop, rather than dependencies
361 between different iterations.
363 ``ScalarEvolution`` has a more complete understanding of pointer arithmetic
364 than ``BasicAliasAnalysis``' collection of ad-hoc analyses.
366 ``-stack-safety``: Stack Safety Analysis
367 ------------------------------------------------
369 The ``StackSafety`` analysis can be used to determine if stack allocated
370 variables can be considered safe from memory access bugs.
372 This analysis' primary purpose is to be used by sanitizers to avoid unnecessary
373 instrumentation of safe variables.
375 ``-targetdata``: Target Data Layout
376 -----------------------------------
378 Provides other passes access to information on how the size and alignment
379 required by the target ABI for various data types.
381 Transform Passes
382 ================
384 This section describes the LLVM Transform Passes.
386 ``-adce``: Aggressive Dead Code Elimination
387 -------------------------------------------
389 ADCE aggressively tries to eliminate code.  This pass is similar to :ref:`DCE
390 <passes-dce>` but it assumes that values are dead until proven otherwise.  This
391 is similar to :ref:`SCCP <passes-sccp>`, except applied to the liveness of
392 values.
394 ``-always-inline``: Inliner for ``always_inline`` functions
395 -----------------------------------------------------------
397 A custom inliner that handles only functions that are marked as "always
398 inline".
400 ``-argpromotion``: Promote 'by reference' arguments to scalars
401 --------------------------------------------------------------
403 This pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
404 practice, this means looking for internal functions that have pointer
405 arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
406 argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function instead
407 of the address of the value.  This can cause recursive simplification of code
408 and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template code like
409 the STL).
411 This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
412 scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
413 it refuses to scalarize aggregates which would require passing in more than
414 three operands to the function, because passing thousands of operands for a
415 large array or structure is unprofitable!
417 Note that this transformation could also be done for arguments that are only
418 stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
419 would be best handled when and if LLVM starts supporting multiple return values
420 from functions.
422 ``-bb-vectorize``: Basic-Block Vectorization
423 --------------------------------------------
425 This pass combines instructions inside basic blocks to form vector
426 instructions.  It iterates over each basic block, attempting to pair compatible
427 instructions, repeating this process until no additional pairs are selected for
428 vectorization.  When the outputs of some pair of compatible instructions are
429 used as inputs by some other pair of compatible instructions, those pairs are
430 part of a potential vectorization chain.  Instruction pairs are only fused into
431 vector instructions when they are part of a chain longer than some threshold
432 length.  Moreover, the pass attempts to find the best possible chain for each
433 pair of compatible instructions.  These heuristics are intended to prevent
434 vectorization in cases where it would not yield a performance increase of the
435 resulting code.
437 ``-block-placement``: Profile Guided Basic Block Placement
438 ----------------------------------------------------------
440 This pass is a very simple profile guided basic block placement algorithm.  The
441 idea is to put frequently executed blocks together at the start of the function
442 and hopefully increase the number of fall-through conditional branches.  If
443 there is no profile information for a particular function, this pass basically
444 orders blocks in depth-first order.
446 ``-break-crit-edges``: Break critical edges in CFG
447 --------------------------------------------------
449 Break all of the critical edges in the CFG by inserting a dummy basic block.
450 It may be "required" by passes that cannot deal with critical edges.  This
451 transformation obviously invalidates the CFG, but can update forward dominator
452 (set, immediate dominators, tree, and frontier) information.
454 ``-codegenprepare``: Optimize for code generation
455 -------------------------------------------------
457 This pass munges the code in the input function to better prepare it for
458 SelectionDAG-based code generation.  This works around limitations in its
459 basic-block-at-a-time approach.  It should eventually be removed.
461 ``-constmerge``: Merge Duplicate Global Constants
462 -------------------------------------------------
464 Merges duplicate global constants together into a single constant that is
465 shared.  This is useful because some passes (i.e., TraceValues) insert a lot of
466 string constants into the program, regardless of whether or not an existing
467 string is available.
469 .. _passes-dce:
471 ``-dce``: Dead Code Elimination
472 -------------------------------
474 Dead code elimination is similar to :ref:`dead instruction elimination
475 <passes-die>`, but it rechecks instructions that were used by removed
476 instructions to see if they are newly dead.
478 ``-deadargelim``: Dead Argument Elimination
479 -------------------------------------------
481 This pass deletes dead arguments from internal functions.  Dead argument
482 elimination removes arguments which are directly dead, as well as arguments
483 only passed into function calls as dead arguments of other functions.  This
484 pass also deletes dead arguments in a similar way.
486 This pass is often useful as a cleanup pass to run after aggressive
487 interprocedural passes, which add possibly-dead arguments.
489 ``-deadtypeelim``: Dead Type Elimination
490 ----------------------------------------
492 This pass is used to cleanup the output of GCC.  It eliminate names for types
493 that are unused in the entire translation unit, using the :ref:`find used types
494 <passes-print-used-types>` pass.
496 .. _passes-die:
498 ``-die``: Dead Instruction Elimination
499 --------------------------------------
501 Dead instruction elimination performs a single pass over the function, removing
502 instructions that are obviously dead.
504 ``-dse``: Dead Store Elimination
505 --------------------------------
507 A trivial dead store elimination that only considers basic-block local
508 redundant stores.
510 .. _passes-function-attrs:
512 ``-function-attrs``: Deduce function attributes
513 -----------------------------------------------
515 A simple interprocedural pass which walks the call-graph, looking for functions
516 which do not access or only read non-local memory, and marking them
517 ``readnone``/``readonly``.  In addition, it marks function arguments (of
518 pointer type) "``nocapture``" if a call to the function does not create any
519 copies of the pointer value that outlive the call.  This more or less means
520 that the pointer is only dereferenced, and not returned from the function or
521 stored in a global.  This pass is implemented as a bottom-up traversal of the
522 call-graph.
524 ``-globaldce``: Dead Global Elimination
525 ---------------------------------------
527 This transform is designed to eliminate unreachable internal globals from the
528 program.  It uses an aggressive algorithm, searching out globals that are known
529 to be alive.  After it finds all of the globals which are needed, it deletes
530 whatever is left over.  This allows it to delete recursive chunks of the
531 program which are unreachable.
533 ``-globalopt``: Global Variable Optimizer
534 -----------------------------------------
536 This pass transforms simple global variables that never have their address
537 taken.  If obviously true, it marks read/write globals as constant, deletes
538 variables only stored to, etc.
540 ``-gvn``: Global Value Numbering
541 --------------------------------
543 This pass performs global value numbering to eliminate fully and partially
544 redundant instructions.  It also performs redundant load elimination.
546 .. _passes-indvars:
548 ``-indvars``: Canonicalize Induction Variables
549 ----------------------------------------------
551 This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
552 computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
553 analysis and transformation.
555 This transformation makes the following changes to each loop with an
556 identifiable induction variable:
558 * All loops are transformed to have a *single* canonical induction variable
559   which starts at zero and steps by one.
560 * The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node in
561   the loop header block.
562 * Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
564 If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
565 changes:
567 * The exit condition for the loop is canonicalized to compare the induction
568   value against the exit value.  This turns loops like:
570   .. code-block:: c++
572     for (i = 7; i*i < 1000; ++i)
574     into
576   .. code-block:: c++
578     for (i = 0; i != 25; ++i)
580 * Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar is
581   changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating the
582   dependence on the exit value of the induction variable.  If the only purpose
583   of the loop is to compute the exit value of some derived expression, this
584   transformation will make the loop dead.
586 This transformation should be followed by strength reduction after all of the
587 desired loop transformations have been performed.  Additionally, on targets
588 where it is profitable, the loop could be transformed to count down to zero
589 (the "do loop" optimization).
591 ``-inline``: Function Integration/Inlining
592 ------------------------------------------
594 Bottom-up inlining of functions into callees.
596 .. _passes-instcombine:
598 ``-instcombine``: Combine redundant instructions
599 ------------------------------------------------
601 Combine instructions to form fewer, simple instructions.  This pass does not
602 modify the CFG. This pass is where algebraic simplification happens.
604 This pass combines things like:
606 .. code-block:: llvm
608   %Y = add i32 %X, 1
609   %Z = add i32 %Y, 1
611 into:
613 .. code-block:: llvm
615   %Z = add i32 %X, 2
617 This is a simple worklist driven algorithm.
619 This pass guarantees that the following canonicalizations are performed on the
620 program:
622 #. If a binary operator has a constant operand, it is moved to the right-hand
623    side.
624 #. Bitwise operators with constant operands are always grouped so that shifts
625    are performed first, then ``or``\ s, then ``and``\ s, then ``xor``\ s.
626 #. Compare instructions are converted from ``<``, ``>``, ``≤``, or ``≥`` to
627    ``=`` or ``≠`` if possible.
628 #. All ``cmp`` instructions on boolean values are replaced with logical
629    operations.
630 #. ``add X, X`` is represented as ``mul X, 2`` ⇒ ``shl X, 1``
631 #. Multiplies with a constant power-of-two argument are transformed into
632    shifts.
633 #. … etc.
635 This pass can also simplify calls to specific well-known function calls (e.g.
636 runtime library functions).  For example, a call ``exit(3)`` that occurs within
637 the ``main()`` function can be transformed into simply ``return 3``. Whether or
638 not library calls are simplified is controlled by the
639 :ref:`-function-attrs <passes-function-attrs>` pass and LLVM's knowledge of
640 library calls on different targets.
642 .. _passes-aggressive-instcombine:
644 ``-aggressive-instcombine``: Combine expression patterns
645 --------------------------------------------------------
647 Combine expression patterns to form expressions with fewer, simple instructions.
648 This pass does not modify the CFG.
650 For example, this pass reduce width of expressions post-dominated by TruncInst
651 into smaller width when applicable.
653 It differs from instcombine pass in that it contains pattern optimization that
654 requires higher complexity than the O(1), thus, it should run fewer times than
655 instcombine pass.
657 ``-internalize``: Internalize Global Symbols
658 --------------------------------------------
660 This pass loops over all of the functions in the input module, looking for a
661 main function.  If a main function is found, all other functions and all global
662 variables with initializers are marked as internal.
664 ``-ipsccp``: Interprocedural Sparse Conditional Constant Propagation
665 --------------------------------------------------------------------
667 An interprocedural variant of :ref:`Sparse Conditional Constant Propagation
668 <passes-sccp>`.
670 ``-jump-threading``: Jump Threading
671 -----------------------------------
673 Jump threading tries to find distinct threads of control flow running through a
674 basic block.  This pass looks at blocks that have multiple predecessors and
675 multiple successors.  If one or more of the predecessors of the block can be
676 proven to always cause a jump to one of the successors, we forward the edge
677 from the predecessor to the successor by duplicating the contents of this
678 block.
680 An example of when this can occur is code like this:
682 .. code-block:: c++
684   if () { ...
685     X = 4;
686   }
687   if (X < 3) {
689 In this case, the unconditional branch at the end of the first if can be
690 revectored to the false side of the second if.
692 .. _passes-lcssa:
694 ``-lcssa``: Loop-Closed SSA Form Pass
695 -------------------------------------
697 This pass transforms loops by placing phi nodes at the end of the loops for all
698 values that are live across the loop boundary.  For example, it turns the left
699 into the right code:
701 .. code-block:: c++
703   for (...)                for (...)
704       if (c)                   if (c)
705           X1 = ...                 X1 = ...
706       else                     else
707           X2 = ...                 X2 = ...
708       X3 = phi(X1, X2)         X3 = phi(X1, X2)
709   ... = X3 + 4              X4 = phi(X3)
710                               ... = X4 + 4
712 This is still valid LLVM; the extra phi nodes are purely redundant, and will be
713 trivially eliminated by ``InstCombine``.  The major benefit of this
714 transformation is that it makes many other loop optimizations, such as
715 ``LoopUnswitch``\ ing, simpler. You can read more in the
716 :ref:`loop terminology section for the LCSSA form <loop-terminology-lcssa>`.
718 .. _passes-licm:
720 ``-licm``: Loop Invariant Code Motion
721 -------------------------------------
723 This pass performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
724 code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting code
725 into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is safe.
726 This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to live in
727 registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
729 Hoisting operations out of loops is a canonicalization transform. It enables
730 and simplifies subsequent optimizations in the middle-end. Rematerialization
731 of hoisted instructions to reduce register pressure is the responsibility of
732 the back-end, which has more accurate information about register pressure and
733 also handles other optimizations than LICM that increase live-ranges.
735 This pass uses alias analysis for two purposes:
737 #. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
738    that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to, we
739    can hoist it or sink it like any other instruction.
741 #. Scalar Promotion of Memory.  If there is a store instruction inside of the
742    loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of inside of
743    the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
745    #. The pointer stored through is loop invariant.
746    #. There are no stores or loads in the loop which *may* alias the pointer.
747       There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
749    If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
750    loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use the
751    :ref:`mem2reg <passes-mem2reg>` functionality to construct the appropriate
752    SSA form for the variable.
754 ``-loop-deletion``: Delete dead loops
755 -------------------------------------
757 This file implements the Dead Loop Deletion Pass.  This pass is responsible for
758 eliminating loops with non-infinite computable trip counts that have no side
759 effects or volatile instructions, and do not contribute to the computation of
760 the function's return value.
762 .. _passes-loop-extract:
764 ``-loop-extract``: Extract loops into new functions
765 ---------------------------------------------------
767 A pass wrapper around the ``ExtractLoop()`` scalar transformation to extract
768 each top-level loop into its own new function.  If the loop is the *only* loop
769 in a given function, it is not touched.  This is a pass most useful for
770 debugging via bugpoint.
772 ``-loop-extract-single``: Extract at most one loop into a new function
773 ----------------------------------------------------------------------
775 Similar to :ref:`Extract loops into new functions <passes-loop-extract>`, this
776 pass extracts one natural loop from the program into a function if it can.
777 This is used by :program:`bugpoint`.
779 ``-loop-reduce``: Loop Strength Reduction
780 -----------------------------------------
782 This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
783 have as one or more of their components the loop induction variable.  This is
784 accomplished by creating a new value to hold the initial value of the array
785 access for the first iteration, and then creating a new GEP instruction in the
786 loop to increment the value by the appropriate amount.
788 .. _passes-loop-rotate:
790 ``-loop-rotate``: Rotate Loops
791 ------------------------------
793 A simple loop rotation transformation.  A summary of it can be found in
794 :ref:`Loop Terminology for Rotated Loops <loop-terminology-loop-rotate>`.
797 .. _passes-loop-simplify:
799 ``-loop-simplify``: Canonicalize natural loops
800 ----------------------------------------------
802 This pass performs several transformations to transform natural loops into a
803 simpler form, which makes subsequent analyses and transformations simpler and
804 more effective. A summary of it can be found in
805 :ref:`Loop Terminology, Loop Simplify Form <loop-terminology-loop-simplify>`.
807 Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical entry
808 edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a number of
809 analyses and transformations, such as :ref:`LICM <passes-licm>`.
811 Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop (blocks
812 which are outside of the loop that have predecessors inside of the loop) only
813 have predecessors from inside of the loop (and are thus dominated by the loop
814 header).  This simplifies transformations such as store-sinking that are built
815 into LICM.
817 This pass also guarantees that loops will have exactly one backedge.
819 Note that the :ref:`simplifycfg <passes-simplifycfg>` pass will clean up blocks
820 which are split out but end up being unnecessary, so usage of this pass should
821 not pessimize generated code.
823 This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
824 dominator information.
826 ``-loop-unroll``: Unroll loops
827 ------------------------------
829 This pass implements a simple loop unroller.  It works best when loops have
830 been canonicalized by the :ref:`indvars <passes-indvars>` pass, allowing it to
831 determine the trip counts of loops easily.
833 ``-loop-unroll-and-jam``: Unroll and Jam loops
834 ----------------------------------------------
836 This pass implements a simple unroll and jam classical loop optimisation pass.
837 It transforms loop from:
839 .. code-block:: c++
841   for i.. i+= 1              for i.. i+= 4
842     for j..                    for j..
843       code(i, j)                 code(i, j)
844                                  code(i+1, j)
845                                  code(i+2, j)
846                                  code(i+3, j)
847                              remainder loop
849 Which can be seen as unrolling the outer loop and "jamming" (fusing) the inner
850 loops into one. When variables or loads can be shared in the new inner loop, this
851 can lead to significant performance improvements. It uses
852 :ref:`Dependence Analysis <passes-da>` for proving the transformations are safe.
854 .. _passes-loop-unswitch:
856 ``-loop-unswitch``: Unswitch loops
857 ----------------------------------
859 This pass transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
860 to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
862 .. code-block:: c++
864   for (...)                  if (lic)
865       A                          for (...)
866       if (lic)                       A; B; C
867           B                  else
868       C                          for (...)
869                                      A; C
871 This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time a
872 loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be smaller
873 than a threshold.
875 This pass expects :ref:`LICM <passes-licm>` to be run before it to hoist
876 invariant conditions out of the loop, to make the unswitching opportunity
877 obvious.
879 ``-lower-global-dtors``: Lower global destructors
880 ------------------------------------------------------------
882 This pass lowers global module destructors (``llvm.global_dtors``) by creating
883 wrapper functions that are registered as global constructors in
884 ``llvm.global_ctors`` and which contain a call to ``__cxa_atexit`` to register
885 their destructor functions.
887 ``-loweratomic``: Lower atomic intrinsics to non-atomic form
888 ------------------------------------------------------------
890 This pass lowers atomic intrinsics to non-atomic form for use in a known
891 non-preemptible environment.
893 The pass does not verify that the environment is non-preemptible (in general
894 this would require knowledge of the entire call graph of the program including
895 any libraries which may not be available in bitcode form); it simply lowers
896 every atomic intrinsic.
898 ``-lowerinvoke``: Lower invokes to calls, for unwindless code generators
899 ------------------------------------------------------------------------
901 This transformation is designed for use by code generators which do not yet
902 support stack unwinding.  This pass converts ``invoke`` instructions to
903 ``call`` instructions, so that any exception-handling ``landingpad`` blocks
904 become dead code (which can be removed by running the ``-simplifycfg`` pass
905 afterwards).
907 ``-lowerswitch``: Lower ``SwitchInst``\ s to branches
908 -----------------------------------------------------
910 Rewrites switch instructions with a sequence of branches, which allows targets
911 to get away with not implementing the switch instruction until it is
912 convenient.
914 .. _passes-mem2reg:
916 ``-mem2reg``: Promote Memory to Register
917 ----------------------------------------
919 This file promotes memory references to be register references.  It promotes
920 alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An ``alloca`` is
921 transformed by using dominator frontiers to place phi nodes, then traversing
922 the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
923 This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned" SSA
924 form.
926 ``-memcpyopt``: MemCpy Optimization
927 -----------------------------------
929 This pass performs various transformations related to eliminating ``memcpy``
930 calls, or transforming sets of stores into ``memset``\ s.
932 ``-mergefunc``: Merge Functions
933 -------------------------------
935 This pass looks for equivalent functions that are mergeable and folds them.
937 Total-ordering is introduced among the functions set: we define comparison
938 that answers for every two functions which of them is greater. It allows to
939 arrange functions into the binary tree.
941 For every new function we check for equivalent in tree.
943 If equivalent exists we fold such functions. If both functions are overridable,
944 we move the functionality into a new internal function and leave two
945 overridable thunks to it.
947 If there is no equivalent, then we add this function to tree.
949 Lookup routine has O(log(n)) complexity, while whole merging process has
950 complexity of O(n*log(n)).
952 Read
953 :doc:`this <MergeFunctions>`
954 article for more details.
956 ``-mergereturn``: Unify function exit nodes
957 -------------------------------------------
959 Ensure that functions have at most one ``ret`` instruction in them.
960 Additionally, it keeps track of which node is the new exit node of the CFG.
962 ``-partial-inliner``: Partial Inliner
963 -------------------------------------
965 This pass performs partial inlining, typically by inlining an ``if`` statement
966 that surrounds the body of the function.
968 ``-prune-eh``: Remove unused exception handling info
969 ----------------------------------------------------
971 This file implements a simple interprocedural pass which walks the call-graph,
972 turning invoke instructions into call instructions if and only if the callee
973 cannot throw an exception.  It implements this as a bottom-up traversal of the
974 call-graph.
976 ``-reassociate``: Reassociate expressions
977 -----------------------------------------
979 This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed to
980 promote better constant propagation, GCSE, :ref:`LICM <passes-licm>`, PRE, etc.
982 For example: 4 + (x + 5) ⇒ x + (4 + 5)
984 In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
985 function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
986 corresponding to the reverse post order traversal of current function (starting
987 at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank than values not
988 in loops.
990 ``-rel-lookup-table-converter``: Relative lookup table converter
991 ----------------------------------------------------------------
993 This pass converts lookup tables to PIC-friendly relative lookup tables.
995 ``-reg2mem``: Demote all values to stack slots
996 ----------------------------------------------
998 This file demotes all registers to memory references.  It is intended to be the
999 inverse of :ref:`mem2reg <passes-mem2reg>`.  By converting to ``load``
1000 instructions, the only values live across basic blocks are ``alloca``
1001 instructions and ``load`` instructions before ``phi`` nodes.  It is intended
1002 that this should make CFG hacking much easier.  To make later hacking easier,
1003 the entry block is split into two, such that all introduced ``alloca``
1004 instructions (and nothing else) are in the entry block.
1006 ``-sroa``: Scalar Replacement of Aggregates
1007 ------------------------------------------------------
1009 The well-known scalar replacement of aggregates transformation.  This transform
1010 breaks up ``alloca`` instructions of aggregate type (structure or array) into
1011 individual ``alloca`` instructions for each member if possible.  Then, if
1012 possible, it transforms the individual ``alloca`` instructions into nice clean
1013 scalar SSA form.
1015 .. _passes-sccp:
1017 ``-sccp``: Sparse Conditional Constant Propagation
1018 --------------------------------------------------
1020 Sparse conditional constant propagation and merging, which can be summarized
1023 * Assumes values are constant unless proven otherwise
1024 * Assumes BasicBlocks are dead unless proven otherwise
1025 * Proves values to be constant, and replaces them with constants
1026 * Proves conditional branches to be unconditional
1028 Note that this pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good
1029 idea to run a :ref:`DCE <passes-dce>` pass sometime after running this pass.
1031 .. _passes-simplifycfg:
1033 ``-simplifycfg``: Simplify the CFG
1034 ----------------------------------
1036 Performs dead code elimination and basic block merging.  Specifically:
1038 * Removes basic blocks with no predecessors.
1039 * Merges a basic block into its predecessor if there is only one and the
1040   predecessor only has one successor.
1041 * Eliminates PHI nodes for basic blocks with a single predecessor.
1042 * Eliminates a basic block that only contains an unconditional branch.
1044 ``-sink``: Code sinking
1045 -----------------------
1047 This pass moves instructions into successor blocks, when possible, so that they
1048 aren't executed on paths where their results aren't needed.
1050 ``-strip``: Strip all symbols from a module
1051 -------------------------------------------
1053 Performs code stripping.  This transformation can delete:
1055 * names for virtual registers
1056 * symbols for internal globals and functions
1057 * debug information
1059 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1060 be used in situations where the strip utility would be used, such as reducing
1061 code size or making it harder to reverse engineer code.
1063 ``-strip-dead-debug-info``: Strip debug info for unused symbols
1064 ---------------------------------------------------------------
1066 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1068 performs code stripping. this transformation can delete:
1070 * names for virtual registers
1071 * symbols for internal globals and functions
1072 * debug information
1074 note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1075 be used in situations where the strip utility would be used, such as reducing
1076 code size or making it harder to reverse engineer code.
1078 ``-strip-dead-prototypes``: Strip Unused Function Prototypes
1079 ------------------------------------------------------------
1081 This pass loops over all of the functions in the input module, looking for dead
1082 declarations and removes them.  Dead declarations are declarations of functions
1083 for which no implementation is available (i.e., declarations for unused library
1084 functions).
1086 ``-strip-debug-declare``: Strip all ``llvm.dbg.declare`` intrinsics
1087 -------------------------------------------------------------------
1089 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1091 This pass implements code stripping.  Specifically, it can delete:
1093 #. names for virtual registers
1094 #. symbols for internal globals and functions
1095 #. debug information
1097 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1098 be used in situations where the 'strip' utility would be used, such as reducing
1099 code size or making it harder to reverse engineer code.
1101 ``-strip-nondebug``: Strip all symbols, except dbg symbols, from a module
1102 -------------------------------------------------------------------------
1104 .. FIXME: this description is the same as for -strip
1106 This pass implements code stripping.  Specifically, it can delete:
1108 #. names for virtual registers
1109 #. symbols for internal globals and functions
1110 #. debug information
1112 Note that this transformation makes code much less readable, so it should only
1113 be used in situations where the 'strip' utility would be used, such as reducing
1114 code size or making it harder to reverse engineer code.
1116 ``-tailcallelim``: Tail Call Elimination
1117 ----------------------------------------
1119 This file transforms calls of the current function (self recursion) followed by
1120 a return instruction with a branch to the entry of the function, creating a
1121 loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
1122 algorithm:
1124 #. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
1125    transformation from taking place, though currently the analysis cannot
1126    support moving any really useful instructions (only dead ones).
1127 #. This pass transforms functions that are prevented from being tail recursive
1128    by an associative expression to use an accumulator variable, thus compiling
1129    the typical naive factorial or fib implementation into efficient code.
1130 #. TRE is performed if the function returns void, if the return returns the
1131    result returned by the call, or if the function returns a run-time constant
1132    on all exits from the function.  It is possible, though unlikely, that the
1133    return returns something else (like constant 0), and can still be TRE'd.  It
1134    can be TRE'd if *all other* return instructions in the function return the
1135    exact same value.
1136 #. If it can prove that callees do not access their caller stack frame, they
1137    are marked as eligible for tail call elimination (by the code generator).
1139 Utility Passes
1140 ==============
1142 This section describes the LLVM Utility Passes.
1144 ``-deadarghaX0r``: Dead Argument Hacking (BUGPOINT USE ONLY; DO NOT USE)
1145 ------------------------------------------------------------------------
1147 Same as dead argument elimination, but deletes arguments to functions which are
1148 external.  This is only for use by :doc:`bugpoint <Bugpoint>`.
1150 ``-extract-blocks``: Extract Basic Blocks From Module (for bugpoint use)
1151 ------------------------------------------------------------------------
1153 This pass is used by bugpoint to extract all blocks from the module into their
1154 own functions.
1156 ``-instnamer``: Assign names to anonymous instructions
1157 ------------------------------------------------------
1159 This is a little utility pass that gives instructions names, this is mostly
1160 useful when diffing the effect of an optimization because deleting an unnamed
1161 instruction can change all other instruction numbering, making the diff very
1162 noisy.
1164 .. _passes-verify:
1166 ``-verify``: Module Verifier
1167 ----------------------------
1169 Verifies an LLVM IR code.  This is useful to run after an optimization which is
1170 undergoing testing.  Note that llvm-as verifies its input before emitting
1171 bitcode, and also that malformed bitcode is likely to make LLVM crash.  All
1172 language front-ends are therefore encouraged to verify their output before
1173 performing optimizing transformations.
1175 #. Both of a binary operator's parameters are of the same type.
1176 #. Verify that the indices of mem access instructions match other operands.
1177 #. Verify that arithmetic and other things are only performed on first-class
1178    types.  Verify that shifts and logicals only happen on integrals f.e.
1179 #. All of the constants in a switch statement are of the correct type.
1180 #. The code is in valid SSA form.
1181 #. It is illegal to put a label into any other type (like a structure) or to
1182    return one.
1183 #. Only phi nodes can be self referential: ``%x = add i32 %x``, ``%x`` is
1184    invalid.
1185 #. PHI nodes must have an entry for each predecessor, with no extras.
1186 #. PHI nodes must be the first thing in a basic block, all grouped together.
1187 #. PHI nodes must have at least one entry.
1188 #. All basic blocks should only end with terminator insts, not contain them.
1189 #. The entry node to a function must not have predecessors.
1190 #. All Instructions must be embedded into a basic block.
1191 #. Functions cannot take a void-typed parameter.
1192 #. Verify that a function's argument list agrees with its declared type.
1193 #. It is illegal to specify a name for a void value.
1194 #. It is illegal to have an internal global value with no initializer.
1195 #. It is illegal to have a ``ret`` instruction that returns a value that does
1196    not agree with the function return value type.
1197 #. Function call argument types match the function prototype.
1198 #. All other things that are tested by asserts spread about the code.
1200 Note that this does not provide full security verification (like Java), but
1201 instead just tries to ensure that code is well-formed.
1203 .. _passes-view-cfg:
1205 ``-view-cfg``: View CFG of function
1206 -----------------------------------
1208 Displays the control flow graph using the GraphViz tool.
1209 Additionally the ``-cfg-func-name=<substring>`` option can be used to filter the
1210 functions that are displayed. All functions that contain the specified substring
1211 will be displayed.
1213 ``-view-cfg-only``: View CFG of function (with no function bodies)
1214 ------------------------------------------------------------------
1216 Displays the control flow graph using the GraphViz tool, but omitting function
1217 bodies.
1218 Additionally the ``-cfg-func-name=<substring>`` option can be used to filter the
1219 functions that are displayed. All functions that contain the specified substring
1220 will be displayed.
1222 ``-view-dom``: View dominance tree of function
1223 ----------------------------------------------
1225 Displays the dominator tree using the GraphViz tool.
1227 ``-view-dom-only``: View dominance tree of function (with no function bodies)
1228 -----------------------------------------------------------------------------
1230 Displays the dominator tree using the GraphViz tool, but omitting function
1231 bodies.
1233 ``-view-postdom``: View postdominance tree of function
1234 ------------------------------------------------------
1236 Displays the post dominator tree using the GraphViz tool.
1238 ``-view-postdom-only``: View postdominance tree of function (with no function bodies)
1239 -------------------------------------------------------------------------------------
1241 Displays the post dominator tree using the GraphViz tool, but omitting function
1242 bodies.
1244 ``-transform-warning``: Report missed forced transformations
1245 ------------------------------------------------------------
1247 Emits warnings about not yet applied forced transformations (e.g. from
1248 ``#pragma omp simd``).