workflows: Fix typo in pr-subscriber
[llvm-project.git] / llvm / docs / WritingAnLLVMPass.rst
blob3e6063e58334359f41ead28eea52e3afd6eeeebf
1 ====================
2 Writing an LLVM Pass
3 ====================
5 .. program:: opt
7 .. contents::
8     :local:
10 Introduction --- What is a pass?
11 ================================
13 The LLVM Pass Framework is an important part of the LLVM system, because LLVM
14 passes are where most of the interesting parts of the compiler exist.  Passes
15 perform the transformations and optimizations that make up the compiler, they
16 build the analysis results that are used by these transformations, and they
17 are, above all, a structuring technique for compiler code.
19 All LLVM passes are subclasses of the `Pass
20 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ class, which implement
21 functionality by overriding virtual methods inherited from ``Pass``.  Depending
22 on how your pass works, you should inherit from the :ref:`ModulePass
23 <writing-an-llvm-pass-ModulePass>` , :ref:`CallGraphSCCPass
24 <writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass>`, :ref:`FunctionPass
25 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` , or :ref:`LoopPass
26 <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`, or :ref:`RegionPass
27 <writing-an-llvm-pass-RegionPass>` classes, which gives the system more
28 information about what your pass does, and how it can be combined with other
29 passes.  One of the main features of the LLVM Pass Framework is that it
30 schedules passes to run in an efficient way based on the constraints that your
31 pass meets (which are indicated by which class they derive from).
33 We start by showing you how to construct a pass, everything from setting up the
34 code, to compiling, loading, and executing it.  After the basics are down, more
35 advanced features are discussed.
37 .. warning::
38   This document deals with the legacy pass manager. LLVM uses the new pass
39   manager for the optimization pipeline (the codegen pipeline
40   still uses the legacy pass manager), which has its own way of defining
41   passes. For more details, see :doc:`WritingAnLLVMNewPMPass` and
42   :doc:`NewPassManager`.
44 Quick Start --- Writing hello world
45 ===================================
47 Here we describe how to write the "hello world" of passes.  The "Hello" pass is
48 designed to simply print out the name of non-external functions that exist in
49 the program being compiled.  It does not modify the program at all, it just
50 inspects it.  The source code and files for this pass are available in the LLVM
51 source tree in the ``lib/Transforms/Hello`` directory.
53 .. _writing-an-llvm-pass-makefile:
55 Setting up the build environment
56 --------------------------------
58 First, configure and build LLVM.  Next, you need to create a new directory
59 somewhere in the LLVM source base.  For this example, we'll assume that you
60 made ``lib/Transforms/Hello``.  Finally, you must set up a build script
61 that will compile the source code for the new pass.  To do this,
62 copy the following into ``CMakeLists.txt``:
64 .. code-block:: cmake
66   add_llvm_library( LLVMHello MODULE
67     Hello.cpp
69     PLUGIN_TOOL
70     opt
71     )
73 and the following line into ``lib/Transforms/CMakeLists.txt``:
75 .. code-block:: cmake
77   add_subdirectory(Hello)
79 (Note that there is already a directory named ``Hello`` with a sample "Hello"
80 pass; you may play with it -- in which case you don't need to modify any
81 ``CMakeLists.txt`` files -- or, if you want to create everything from scratch,
82 use another name.)
84 This build script specifies that ``Hello.cpp`` file in the current directory
85 is to be compiled and linked into a shared object ``$(LEVEL)/lib/LLVMHello.so`` that
86 can be dynamically loaded by the :program:`opt` tool via its :option:`-load`
87 option. If your operating system uses a suffix other than ``.so`` (such as
88 Windows or macOS), the appropriate extension will be used.
90 Now that we have the build scripts set up, we just need to write the code for
91 the pass itself.
93 .. _writing-an-llvm-pass-basiccode:
95 Basic code required
96 -------------------
98 Now that we have a way to compile our new pass, we just have to write it.
99 Start out with:
101 .. code-block:: c++
103   #include "llvm/Pass.h"
104   #include "llvm/IR/Function.h"
105   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
107 Which are needed because we are writing a `Pass
108 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_, we are operating on
109 `Function <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Function.html>`_\ s, and we will
110 be doing some printing.
112 Next we have:
114 .. code-block:: c++
116   using namespace llvm;
118 ... which is required because the functions from the include files live in the
119 llvm namespace.
121 Next we have:
123 .. code-block:: c++
125   namespace {
127 ... which starts out an anonymous namespace.  Anonymous namespaces are to C++
128 what the "``static``" keyword is to C (at global scope).  It makes the things
129 declared inside of the anonymous namespace visible only to the current file.
130 If you're not familiar with them, consult a decent C++ book for more
131 information.
133 Next, we declare our pass itself:
135 .. code-block:: c++
137   struct Hello : public FunctionPass {
139 This declares a "``Hello``" class that is a subclass of :ref:`FunctionPass
140 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  The different builtin pass subclasses
141 are described in detail :ref:`later <writing-an-llvm-pass-pass-classes>`, but
142 for now, know that ``FunctionPass`` operates on a function at a time.
144 .. code-block:: c++
146     static char ID;
147     Hello() : FunctionPass(ID) {}
149 This declares pass identifier used by LLVM to identify pass.  This allows LLVM
150 to avoid using expensive C++ runtime information.
152 .. code-block:: c++
154     bool runOnFunction(Function &F) override {
155       errs() << "Hello: ";
156       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
157       return false;
158     }
159   }; // end of struct Hello
160   }  // end of anonymous namespace
162 We declare a :ref:`runOnFunction <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` method,
163 which overrides an abstract virtual method inherited from :ref:`FunctionPass
164 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`.  This is where we are supposed to do our
165 thing, so we just print out our message with the name of each function.
167 .. code-block:: c++
169   char Hello::ID = 0;
171 We initialize pass ID here.  LLVM uses ID's address to identify a pass, so
172 initialization value is not important.
174 .. code-block:: c++
176   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
177                                false /* Only looks at CFG */,
178                                false /* Analysis Pass */);
180 Lastly, we :ref:`register our class <writing-an-llvm-pass-registration>`
181 ``Hello``, giving it a command line argument "``hello``", and a name "Hello
182 World Pass".  The last two arguments describe its behavior: if a pass walks CFG
183 without modifying it then the third argument is set to ``true``; if a pass is
184 an analysis pass, for example dominator tree pass, then ``true`` is supplied as
185 the fourth argument.
187 As a whole, the ``.cpp`` file looks like:
189 .. code-block:: c++
191   #include "llvm/Pass.h"
192   #include "llvm/IR/Function.h"
193   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
195   #include "llvm/IR/LegacyPassManager.h"
197   using namespace llvm;
199   namespace {
200   struct Hello : public FunctionPass {
201     static char ID;
202     Hello() : FunctionPass(ID) {}
204     bool runOnFunction(Function &F) override {
205       errs() << "Hello: ";
206       errs().write_escaped(F.getName()) << '\n';
207       return false;
208     }
209   }; // end of struct Hello
210   }  // end of anonymous namespace
212   char Hello::ID = 0;
213   static RegisterPass<Hello> X("hello", "Hello World Pass",
214                                false /* Only looks at CFG */,
215                                false /* Analysis Pass */);
217 Now that it's all together, compile the file with a simple "``gmake``" command
218 from the top level of your build directory and you should get a new file
219 "``lib/LLVMHello.so``".  Note that everything in this file is
220 contained in an anonymous namespace --- this reflects the fact that passes
221 are self contained units that do not need external interfaces (although they
222 can have them) to be useful.
224 Running a pass with ``opt``
225 ---------------------------
227 Now that you have a brand new shiny shared object file, we can use the
228 :program:`opt` command to run an LLVM program through your pass.  Because you
229 registered your pass with ``RegisterPass``, you will be able to use the
230 :program:`opt` tool to access it, once loaded.
232 To test it, follow the example at the end of the :doc:`GettingStarted` to
233 compile "Hello World" to LLVM.  We can now run the bitcode file (hello.bc) for
234 the program through our transformation like this (or course, any bitcode file
235 will work):
237 .. code-block:: console
239   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello < hello.bc > /dev/null
240   Hello: __main
241   Hello: puts
242   Hello: main
244 The :option:`-load` option specifies that :program:`opt` should load your pass
245 as a shared object, which makes "``-hello``" a valid command line argument
246 (which is one reason you need to :ref:`register your pass
247 <writing-an-llvm-pass-registration>`).  Because the Hello pass does not modify
248 the program in any interesting way, we just throw away the result of
249 :program:`opt` (sending it to ``/dev/null``).
251 To see what happened to the other string you registered, try running
252 :program:`opt` with the :option:`-help` option:
254 .. code-block:: console
256   $ opt -load lib/LLVMHello.so -help
257   OVERVIEW: llvm .bc -> .bc modular optimizer and analysis printer
259   USAGE: opt [subcommand] [options] <input bitcode file>
261   OPTIONS:
262     Optimizations available:
263   ...
264       -guard-widening           - Widen guards
265       -gvn                      - Global Value Numbering
266       -gvn-hoist                - Early GVN Hoisting of Expressions
267       -hello                    - Hello World Pass
268       -indvars                  - Induction Variable Simplification
269       -inferattrs               - Infer set function attributes
270   ...
272 The pass name gets added as the information string for your pass, giving some
273 documentation to users of :program:`opt`.  Now that you have a working pass,
274 you would go ahead and make it do the cool transformations you want.  Once you
275 get it all working and tested, it may become useful to find out how fast your
276 pass is.  The :ref:`PassManager <writing-an-llvm-pass-passmanager>` provides a
277 nice command line option (:option:`-time-passes`) that allows you to get
278 information about the execution time of your pass along with the other passes
279 you queue up.  For example:
281 .. code-block:: console
283   $ opt -load lib/LLVMHello.so -hello -time-passes < hello.bc > /dev/null
284   Hello: __main
285   Hello: puts
286   Hello: main
287   ===-------------------------------------------------------------------------===
288                         ... Pass execution timing report ...
289   ===-------------------------------------------------------------------------===
290     Total Execution Time: 0.0007 seconds (0.0005 wall clock)
292      ---User Time---   --User+System--   ---Wall Time---  --- Name ---
293      0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 55.3%)   0.0004 ( 75.7%)  Bitcode Writer
294      0.0003 ( 44.7%)   0.0003 ( 44.7%)   0.0001 ( 13.6%)  Hello World Pass
295      0.0000 (  0.0%)   0.0000 (  0.0%)   0.0001 ( 10.7%)  Module Verifier
296      0.0007 (100.0%)   0.0007 (100.0%)   0.0005 (100.0%)  Total
298 As you can see, our implementation above is pretty fast.  The additional
299 passes listed are automatically inserted by the :program:`opt` tool to verify
300 that the LLVM emitted by your pass is still valid and well formed LLVM, which
301 hasn't been broken somehow.
303 Now that you have seen the basics of the mechanics behind passes, we can talk
304 about some more details of how they work and how to use them.
306 .. _writing-an-llvm-pass-pass-classes:
308 Pass classes and requirements
309 =============================
311 One of the first things that you should do when designing a new pass is to
312 decide what class you should subclass for your pass.  The :ref:`Hello World
313 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example uses the :ref:`FunctionPass
314 <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` class for its implementation, but we did
315 not discuss why or when this should occur.  Here we talk about the classes
316 available, from the most general to the most specific.
318 When choosing a superclass for your ``Pass``, you should choose the **most
319 specific** class possible, while still being able to meet the requirements
320 listed.  This gives the LLVM Pass Infrastructure information necessary to
321 optimize how passes are run, so that the resultant compiler isn't unnecessarily
322 slow.
324 The ``ImmutablePass`` class
325 ---------------------------
327 The most plain and boring type of pass is the "`ImmutablePass
328 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ImmutablePass.html>`_" class.  This pass
329 type is used for passes that do not have to be run, do not change state, and
330 never need to be updated.  This is not a normal type of transformation or
331 analysis, but can provide information about the current compiler configuration.
333 Although this pass class is very infrequently used, it is important for
334 providing information about the current target machine being compiled for, and
335 other static information that can affect the various transformations.
337 ``ImmutablePass``\ es never invalidate other transformations, are never
338 invalidated, and are never "run".
340 .. _writing-an-llvm-pass-ModulePass:
342 The ``ModulePass`` class
343 ------------------------
345 The `ModulePass <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1ModulePass.html>`_ class
346 is the most general of all superclasses that you can use.  Deriving from
347 ``ModulePass`` indicates that your pass uses the entire program as a unit,
348 referring to function bodies in no predictable order, or adding and removing
349 functions.  Because nothing is known about the behavior of ``ModulePass``
350 subclasses, no optimization can be done for their execution.
352 A module pass can use function level passes (e.g. dominators) using the
353 ``getAnalysis`` interface ``getAnalysis<DominatorTree>(llvm::Function *)`` to
354 provide the function to retrieve analysis result for, if the function pass does
355 not require any module or immutable passes.  Note that this can only be done
356 for functions for which the analysis ran, e.g. in the case of dominators you
357 should only ask for the ``DominatorTree`` for function definitions, not
358 declarations.
360 To write a correct ``ModulePass`` subclass, derive from ``ModulePass`` and
361 override the ``runOnModule`` method with the following signature:
363 The ``runOnModule`` method
364 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
366 .. code-block:: c++
368   virtual bool runOnModule(Module &M) = 0;
370 The ``runOnModule`` method performs the interesting work of the pass.  It
371 should return ``true`` if the module was modified by the transformation and
372 ``false`` otherwise.
374 .. _writing-an-llvm-pass-CallGraphSCCPass:
376 The ``CallGraphSCCPass`` class
377 ------------------------------
379 The `CallGraphSCCPass
380 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1CallGraphSCCPass.html>`_ is used by
381 passes that need to traverse the program bottom-up on the call graph (callees
382 before callers).  Deriving from ``CallGraphSCCPass`` provides some mechanics
383 for building and traversing the ``CallGraph``, but also allows the system to
384 optimize execution of ``CallGraphSCCPass``\ es.  If your pass meets the
385 requirements outlined below, and doesn't meet the requirements of a
386 :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, you should derive from
387 ``CallGraphSCCPass``.
389 ``TODO``: explain briefly what SCC, Tarjan's algo, and B-U mean.
391 To be explicit, CallGraphSCCPass subclasses are:
393 #. ... *not allowed* to inspect or modify any ``Function``\ s other than those
394    in the current SCC and the direct callers and direct callees of the SCC.
395 #. ... *required* to preserve the current ``CallGraph`` object, updating it to
396    reflect any changes made to the program.
397 #. ... *not allowed* to add or remove SCC's from the current Module, though
398    they may change the contents of an SCC.
399 #. ... *allowed* to add or remove global variables from the current Module.
400 #. ... *allowed* to maintain state across invocations of :ref:`runOnSCC
401    <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` (including global data).
403 Implementing a ``CallGraphSCCPass`` is slightly tricky in some cases because it
404 has to handle SCCs with more than one node in it.  All of the virtual methods
405 described below should return ``true`` if they modified the program, or
406 ``false`` if they didn't.
408 The ``doInitialization(CallGraph &)`` method
409 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
411 .. code-block:: c++
413   virtual bool doInitialization(CallGraph &CG);
415 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
416 ``CallGraphSCCPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove
417 functions, get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is
418 designed to do simple initialization type of stuff that does not depend on the
419 SCCs being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
420 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
422 .. _writing-an-llvm-pass-runOnSCC:
424 The ``runOnSCC`` method
425 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
427 .. code-block:: c++
429   virtual bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) = 0;
431 The ``runOnSCC`` method performs the interesting work of the pass, and should
432 return ``true`` if the module was modified by the transformation, ``false``
433 otherwise.
435 The ``doFinalization(CallGraph &)`` method
436 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
438 .. code-block:: c++
440   virtual bool doFinalization(CallGraph &CG);
442 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
443 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnSCC
444 <writing-an-llvm-pass-runOnSCC>` for every SCC in the program being compiled.
446 .. _writing-an-llvm-pass-FunctionPass:
448 The ``FunctionPass`` class
449 --------------------------
451 In contrast to ``ModulePass`` subclasses, `FunctionPass
452 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1Pass.html>`_ subclasses do have a
453 predictable, local behavior that can be expected by the system.  All
454 ``FunctionPass`` execute on each function in the program independent of all of
455 the other functions in the program.  ``FunctionPass``\ es do not require that
456 they are executed in a particular order, and ``FunctionPass``\ es do not modify
457 external functions.
459 To be explicit, ``FunctionPass`` subclasses are not allowed to:
461 #. Inspect or modify a ``Function`` other than the one currently being processed.
462 #. Add or remove ``Function``\ s from the current ``Module``.
463 #. Add or remove global variables from the current ``Module``.
464 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnFunction
465    <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` (including global data).
467 Implementing a ``FunctionPass`` is usually straightforward (See the :ref:`Hello
468 World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass for example).
469 ``FunctionPass``\ es may override three virtual methods to do their work.  All
470 of these methods should return ``true`` if they modified the program, or
471 ``false`` if they didn't.
473 .. _writing-an-llvm-pass-doInitialization-mod:
475 The ``doInitialization(Module &)`` method
476 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
478 .. code-block:: c++
480   virtual bool doInitialization(Module &M);
482 The ``doInitialization`` method is allowed to do most of the things that
483 ``FunctionPass``\ es are not allowed to do.  They can add and remove functions,
484 get pointers to functions, etc.  The ``doInitialization`` method is designed to
485 do simple initialization type of stuff that does not depend on the functions
486 being processed.  The ``doInitialization`` method call is not scheduled to
487 overlap with any other pass executions (thus it should be very fast).
489 A good example of how this method should be used is the `LowerAllocations
490 <https://llvm.org/doxygen/LowerAllocations_8cpp-source.html>`_ pass.  This pass
491 converts ``malloc`` and ``free`` instructions into platform dependent
492 ``malloc()`` and ``free()`` function calls.  It uses the ``doInitialization``
493 method to get a reference to the ``malloc`` and ``free`` functions that it
494 needs, adding prototypes to the module if necessary.
496 .. _writing-an-llvm-pass-runOnFunction:
498 The ``runOnFunction`` method
499 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
501 .. code-block:: c++
503   virtual bool runOnFunction(Function &F) = 0;
505 The ``runOnFunction`` method must be implemented by your subclass to do the
506 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
507 should be returned if the function is modified.
509 .. _writing-an-llvm-pass-doFinalization-mod:
511 The ``doFinalization(Module &)`` method
512 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
514 .. code-block:: c++
516   virtual bool doFinalization(Module &M);
518 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
519 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnFunction
520 <writing-an-llvm-pass-runOnFunction>` for every function in the program being
521 compiled.
523 .. _writing-an-llvm-pass-LoopPass:
525 The ``LoopPass`` class
526 ----------------------
528 All ``LoopPass`` execute on each :ref:`loop <loop-terminology>` in the function
529 independent of all of the other loops in the function.  ``LoopPass`` processes
530 loops in loop nest order such that outer most loop is processed last.
532 ``LoopPass`` subclasses are allowed to update loop nest using ``LPPassManager``
533 interface.  Implementing a loop pass is usually straightforward.
534 ``LoopPass``\ es may override three virtual methods to do their work.  All
535 these methods should return ``true`` if they modified the program, or ``false``
536 if they didn't.
538 A ``LoopPass`` subclass which is intended to run as part of the main loop pass
539 pipeline needs to preserve all of the same *function* analyses that the other
540 loop passes in its pipeline require. To make that easier,
541 a ``getLoopAnalysisUsage`` function is provided by ``LoopUtils.h``. It can be
542 called within the subclass's ``getAnalysisUsage`` override to get consistent
543 and correct behavior. Analogously, ``INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)``
544 will initialize this set of function analyses.
546 The ``doInitialization(Loop *, LPPassManager &)`` method
547 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
549 .. code-block:: c++
551   virtual bool doInitialization(Loop *, LPPassManager &LPM);
553 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
554 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
555 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
556 pass executions (thus it should be very fast).  ``LPPassManager`` interface
557 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
559 .. _writing-an-llvm-pass-runOnLoop:
561 The ``runOnLoop`` method
562 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
564 .. code-block:: c++
566   virtual bool runOnLoop(Loop *, LPPassManager &LPM) = 0;
568 The ``runOnLoop`` method must be implemented by your subclass to do the
569 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a ``true`` value
570 should be returned if the function is modified.  ``LPPassManager`` interface
571 should be used to update loop nest.
573 The ``doFinalization()`` method
574 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
576 .. code-block:: c++
578   virtual bool doFinalization();
580 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
581 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnLoop
582 <writing-an-llvm-pass-runOnLoop>` for every loop in the program being compiled.
584 .. _writing-an-llvm-pass-RegionPass:
586 The ``RegionPass`` class
587 ------------------------
589 ``RegionPass`` is similar to :ref:`LoopPass <writing-an-llvm-pass-LoopPass>`,
590 but executes on each single entry single exit region in the function.
591 ``RegionPass`` processes regions in nested order such that the outer most
592 region is processed last.
594 ``RegionPass`` subclasses are allowed to update the region tree by using the
595 ``RGPassManager`` interface.  You may override three virtual methods of
596 ``RegionPass`` to implement your own region pass.  All these methods should
597 return ``true`` if they modified the program, or ``false`` if they did not.
599 The ``doInitialization(Region *, RGPassManager &)`` method
600 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
602 .. code-block:: c++
604   virtual bool doInitialization(Region *, RGPassManager &RGM);
606 The ``doInitialization`` method is designed to do simple initialization type of
607 stuff that does not depend on the functions being processed.  The
608 ``doInitialization`` method call is not scheduled to overlap with any other
609 pass executions (thus it should be very fast).  ``RPPassManager`` interface
610 should be used to access ``Function`` or ``Module`` level analysis information.
612 .. _writing-an-llvm-pass-runOnRegion:
614 The ``runOnRegion`` method
615 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
617 .. code-block:: c++
619   virtual bool runOnRegion(Region *, RGPassManager &RGM) = 0;
621 The ``runOnRegion`` method must be implemented by your subclass to do the
622 transformation or analysis work of your pass.  As usual, a true value should be
623 returned if the region is modified.  ``RGPassManager`` interface should be used to
624 update region tree.
626 The ``doFinalization()`` method
627 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
629 .. code-block:: c++
631   virtual bool doFinalization();
633 The ``doFinalization`` method is an infrequently used method that is called
634 when the pass framework has finished calling :ref:`runOnRegion
635 <writing-an-llvm-pass-runOnRegion>` for every region in the program being
636 compiled.
639 The ``MachineFunctionPass`` class
640 ---------------------------------
642 A ``MachineFunctionPass`` is a part of the LLVM code generator that executes on
643 the machine-dependent representation of each LLVM function in the program.
645 Code generator passes are registered and initialized specially by
646 ``TargetMachine::addPassesToEmitFile`` and similar routines, so they cannot
647 generally be run from the :program:`opt` or :program:`bugpoint` commands.
649 A ``MachineFunctionPass`` is also a ``FunctionPass``, so all the restrictions
650 that apply to a ``FunctionPass`` also apply to it.  ``MachineFunctionPass``\ es
651 also have additional restrictions.  In particular, ``MachineFunctionPass``\ es
652 are not allowed to do any of the following:
654 #. Modify or create any LLVM IR ``Instruction``\ s, ``BasicBlock``\ s,
655    ``Argument``\ s, ``Function``\ s, ``GlobalVariable``\ s,
656    ``GlobalAlias``\ es, or ``Module``\ s.
657 #. Modify a ``MachineFunction`` other than the one currently being processed.
658 #. Maintain state across invocations of :ref:`runOnMachineFunction
659    <writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction>` (including global data).
661 .. _writing-an-llvm-pass-runOnMachineFunction:
663 The ``runOnMachineFunction(MachineFunction &MF)`` method
664 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
666 .. code-block:: c++
668   virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) = 0;
670 ``runOnMachineFunction`` can be considered the main entry point of a
671 ``MachineFunctionPass``; that is, you should override this method to do the
672 work of your ``MachineFunctionPass``.
674 The ``runOnMachineFunction`` method is called on every ``MachineFunction`` in a
675 ``Module``, so that the ``MachineFunctionPass`` may perform optimizations on
676 the machine-dependent representation of the function.  If you want to get at
677 the LLVM ``Function`` for the ``MachineFunction`` you're working on, use
678 ``MachineFunction``'s ``getFunction()`` accessor method --- but remember, you
679 may not modify the LLVM ``Function`` or its contents from a
680 ``MachineFunctionPass``.
682 .. _writing-an-llvm-pass-registration:
684 Pass registration
685 -----------------
687 In the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` example pass we
688 illustrated how pass registration works, and discussed some of the reasons that
689 it is used and what it does.  Here we discuss how and why passes are
690 registered.
692 As we saw above, passes are registered with the ``RegisterPass`` template.  The
693 template parameter is the name of the pass that is to be used on the command
694 line to specify that the pass should be added to a program (for example, with
695 :program:`opt` or :program:`bugpoint`).  The first argument is the name of the
696 pass, which is to be used for the :option:`-help` output of programs, as well
697 as for debug output generated by the `--debug-pass` option.
699 If you want your pass to be easily dumpable, you should implement the virtual
700 print method:
702 The ``print`` method
703 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
705 .. code-block:: c++
707   virtual void print(llvm::raw_ostream &O, const Module *M) const;
709 The ``print`` method must be implemented by "analyses" in order to print a
710 human readable version of the analysis results.  This is useful for debugging
711 an analysis itself, as well as for other people to figure out how an analysis
712 works.  Use the opt ``-analyze`` argument to invoke this method.
714 The ``llvm::raw_ostream`` parameter specifies the stream to write the results
715 on, and the ``Module`` parameter gives a pointer to the top level module of the
716 program that has been analyzed.  Note however that this pointer may be ``NULL``
717 in certain circumstances (such as calling the ``Pass::dump()`` from a
718 debugger), so it should only be used to enhance debug output, it should not be
719 depended on.
721 .. _writing-an-llvm-pass-interaction:
723 Specifying interactions between passes
724 --------------------------------------
726 One of the main responsibilities of the ``PassManager`` is to make sure that
727 passes interact with each other correctly.  Because ``PassManager`` tries to
728 :ref:`optimize the execution of passes <writing-an-llvm-pass-passmanager>` it
729 must know how the passes interact with each other and what dependencies exist
730 between the various passes.  To track this, each pass can declare the set of
731 passes that are required to be executed before the current pass, and the passes
732 which are invalidated by the current pass.
734 Typically this functionality is used to require that analysis results are
735 computed before your pass is run.  Running arbitrary transformation passes can
736 invalidate the computed analysis results, which is what the invalidation set
737 specifies.  If a pass does not implement the :ref:`getAnalysisUsage
738 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method, it defaults to not having any
739 prerequisite passes, and invalidating **all** other passes.
741 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage:
743 The ``getAnalysisUsage`` method
744 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
746 .. code-block:: c++
748   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &Info) const;
750 By implementing the ``getAnalysisUsage`` method, the required and invalidated
751 sets may be specified for your transformation.  The implementation should fill
752 in the `AnalysisUsage
753 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AnalysisUsage.html>`_ object with
754 information about which passes are required and not invalidated.  To do this, a
755 pass may call any of the following methods on the ``AnalysisUsage`` object:
757 The ``AnalysisUsage::addRequired<>`` and ``AnalysisUsage::addRequiredTransitive<>`` methods
758 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
760 If your pass requires a previous pass to be executed (an analysis for example),
761 it can use one of these methods to arrange for it to be run before your pass.
762 LLVM has many different types of analyses and passes that can be required,
763 spanning the range from ``DominatorSet`` to ``BreakCriticalEdges``.  Requiring
764 ``BreakCriticalEdges``, for example, guarantees that there will be no critical
765 edges in the CFG when your pass has been run.
767 Some analyses chain to other analyses to do their job.  For example, an
768 `AliasAnalysis <AliasAnalysis>` implementation is required to :ref:`chain
769 <aliasanalysis-chaining>` to other alias analysis passes.  In cases where
770 analyses chain, the ``addRequiredTransitive`` method should be used instead of
771 the ``addRequired`` method.  This informs the ``PassManager`` that the
772 transitively required pass should be alive as long as the requiring pass is.
774 The ``AnalysisUsage::addPreserved<>`` method
775 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
777 One of the jobs of the ``PassManager`` is to optimize how and when analyses are
778 run.  In particular, it attempts to avoid recomputing data unless it needs to.
779 For this reason, passes are allowed to declare that they preserve (i.e., they
780 don't invalidate) an existing analysis if it's available.  For example, a
781 simple constant folding pass would not modify the CFG, so it can't possibly
782 affect the results of dominator analysis.  By default, all passes are assumed
783 to invalidate all others.
785 The ``AnalysisUsage`` class provides several methods which are useful in
786 certain circumstances that are related to ``addPreserved``.  In particular, the
787 ``setPreservesAll`` method can be called to indicate that the pass does not
788 modify the LLVM program at all (which is true for analyses), and the
789 ``setPreservesCFG`` method can be used by transformations that change
790 instructions in the program but do not modify the CFG or terminator
791 instructions.
793 ``addPreserved`` is particularly useful for transformations like
794 ``BreakCriticalEdges``.  This pass knows how to update a small set of loop and
795 dominator related analyses if they exist, so it can preserve them, despite the
796 fact that it hacks on the CFG.
798 Example implementations of ``getAnalysisUsage``
799 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
801 .. code-block:: c++
803   // This example modifies the program, but does not modify the CFG
804   void LICM::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
805     AU.setPreservesCFG();
806     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
807   }
809 .. _writing-an-llvm-pass-getAnalysis:
811 The ``getAnalysis<>`` and ``getAnalysisIfAvailable<>`` methods
812 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
814 The ``Pass::getAnalysis<>`` method is automatically inherited by your class,
815 providing you with access to the passes that you declared that you required
816 with the :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
817 method.  It takes a single template argument that specifies which pass class
818 you want, and returns a reference to that pass.  For example:
820 .. code-block:: c++
822   bool LICM::runOnFunction(Function &F) {
823     LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
824     //...
825   }
827 This method call returns a reference to the pass desired.  You may get a
828 runtime assertion failure if you attempt to get an analysis that you did not
829 declare as required in your :ref:`getAnalysisUsage
830 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` implementation.  This method can be
831 called by your ``run*`` method implementation, or by any other local method
832 invoked by your ``run*`` method.
834 A module level pass can use function level analysis info using this interface.
835 For example:
837 .. code-block:: c++
839   bool ModuleLevelPass::runOnModule(Module &M) {
840     //...
841     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>(Func);
842     //...
843   }
845 In above example, ``runOnFunction`` for ``DominatorTree`` is called by pass
846 manager before returning a reference to the desired pass.
848 If your pass is capable of updating analyses if they exist (e.g.,
849 ``BreakCriticalEdges``, as described above), you can use the
850 ``getAnalysisIfAvailable`` method, which returns a pointer to the analysis if
851 it is active.  For example:
853 .. code-block:: c++
855   if (DominatorSet *DS = getAnalysisIfAvailable<DominatorSet>()) {
856     // A DominatorSet is active.  This code will update it.
857   }
859 Implementing Analysis Groups
860 ----------------------------
862 Now that we understand the basics of how passes are defined, how they are used,
863 and how they are required from other passes, it's time to get a little bit
864 fancier.  All of the pass relationships that we have seen so far are very
865 simple: one pass depends on one other specific pass to be run before it can
866 run.  For many applications, this is great, for others, more flexibility is
867 required.
869 In particular, some analyses are defined such that there is a single simple
870 interface to the analysis results, but multiple ways of calculating them.
871 Consider alias analysis for example.  The most trivial alias analysis returns
872 "may alias" for any alias query.  The most sophisticated analysis a
873 flow-sensitive, context-sensitive interprocedural analysis that can take a
874 significant amount of time to execute (and obviously, there is a lot of room
875 between these two extremes for other implementations).  To cleanly support
876 situations like this, the LLVM Pass Infrastructure supports the notion of
877 Analysis Groups.
879 Analysis Group Concepts
880 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
882 An Analysis Group is a single simple interface that may be implemented by
883 multiple different passes.  Analysis Groups can be given human readable names
884 just like passes, but unlike passes, they need not derive from the ``Pass``
885 class.  An analysis group may have one or more implementations, one of which is
886 the "default" implementation.
888 Analysis groups are used by client passes just like other passes are: the
889 ``AnalysisUsage::addRequired()`` and ``Pass::getAnalysis()`` methods.  In order
890 to resolve this requirement, the :ref:`PassManager
891 <writing-an-llvm-pass-passmanager>` scans the available passes to see if any
892 implementations of the analysis group are available.  If none is available, the
893 default implementation is created for the pass to use.  All standard rules for
894 :ref:`interaction between passes <writing-an-llvm-pass-interaction>` still
895 apply.
897 Although :ref:`Pass Registration <writing-an-llvm-pass-registration>` is
898 optional for normal passes, all analysis group implementations must be
899 registered, and must use the :ref:`INITIALIZE_AG_PASS
900 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>` template to join the
901 implementation pool.  Also, a default implementation of the interface **must**
902 be registered with :ref:`RegisterAnalysisGroup
903 <writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup>`.
905 As a concrete example of an Analysis Group in action, consider the
906 `AliasAnalysis <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_
907 analysis group.  The default implementation of the alias analysis interface
908 (the `basic-aa <https://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass)
909 just does a few simple checks that don't require significant analysis to
910 compute (such as: two different globals can never alias each other, etc).
911 Passes that use the `AliasAnalysis
912 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ interface (for
913 example the `gvn <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1GVN.html>`_ pass), do not
914 care which implementation of alias analysis is actually provided, they just use
915 the designated interface.
917 From the user's perspective, commands work just like normal.  Issuing the
918 command ``opt -gvn ...`` will cause the ``basic-aa`` class to be instantiated
919 and added to the pass sequence.  Issuing the command ``opt -somefancyaa -gvn
920 ...`` will cause the ``gvn`` pass to use the ``somefancyaa`` alias analysis
921 (which doesn't actually exist, it's just a hypothetical example) instead.
923 .. _writing-an-llvm-pass-RegisterAnalysisGroup:
925 Using ``RegisterAnalysisGroup``
926 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
928 The ``RegisterAnalysisGroup`` template is used to register the analysis group
929 itself, while the ``INITIALIZE_AG_PASS`` is used to add pass implementations to
930 the analysis group.  First, an analysis group should be registered, with a
931 human readable name provided for it.  Unlike registration of passes, there is
932 no command line argument to be specified for the Analysis Group Interface
933 itself, because it is "abstract":
935 .. code-block:: c++
937   static RegisterAnalysisGroup<AliasAnalysis> A("Alias Analysis");
939 Once the analysis is registered, passes can declare that they are valid
940 implementations of the interface by using the following code:
942 .. code-block:: c++
944   namespace {
945     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
946     INITIALIZE_AG_PASS(FancyAA, AliasAnalysis , "somefancyaa",
947         "A more complex alias analysis implementation",
948         false,  // Is CFG Only?
949         true,   // Is Analysis?
950         false); // Is default Analysis Group implementation?
951   }
953 This just shows a class ``FancyAA`` that uses the ``INITIALIZE_AG_PASS`` macro
954 both to register and to "join" the `AliasAnalysis
955 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1AliasAnalysis.html>`_ analysis group.
956 Every implementation of an analysis group should join using this macro.
958 .. code-block:: c++
960   namespace {
961     // Declare that we implement the AliasAnalysis interface
962     INITIALIZE_AG_PASS(BasicAA, AliasAnalysis, "basic-aa",
963         "Basic Alias Analysis (default AA impl)",
964         false, // Is CFG Only?
965         true,  // Is Analysis?
966         true); // Is default Analysis Group implementation?
967   }
969 Here we show how the default implementation is specified (using the final
970 argument to the ``INITIALIZE_AG_PASS`` template).  There must be exactly one
971 default implementation available at all times for an Analysis Group to be used.
972 Only default implementation can derive from ``ImmutablePass``.  Here we declare
973 that the `BasicAliasAnalysis
974 <https://llvm.org/doxygen/structBasicAliasAnalysis.html>`_ pass is the default
975 implementation for the interface.
977 Pass Statistics
978 ===============
980 The `Statistic <https://llvm.org/doxygen/Statistic_8h_source.html>`_ class is
981 designed to be an easy way to expose various success metrics from passes.
982 These statistics are printed at the end of a run, when the :option:`-stats`
983 command line option is enabled on the command line.  See the :ref:`Statistics
984 section <Statistic>` in the Programmer's Manual for details.
986 .. _writing-an-llvm-pass-passmanager:
988 What PassManager does
989 ---------------------
991 The `PassManager <https://llvm.org/doxygen/PassManager_8h_source.html>`_ `class
992 <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1PassManager.html>`_ takes a list of
993 passes, ensures their :ref:`prerequisites <writing-an-llvm-pass-interaction>`
994 are set up correctly, and then schedules passes to run efficiently.  All of the
995 LLVM tools that run passes use the PassManager for execution of these passes.
997 The PassManager does two main things to try to reduce the execution time of a
998 series of passes:
1000 #. **Share analysis results.**  The ``PassManager`` attempts to avoid
1001    recomputing analysis results as much as possible.  This means keeping track
1002    of which analyses are available already, which analyses get invalidated, and
1003    which analyses are needed to be run for a pass.  An important part of work
1004    is that the ``PassManager`` tracks the exact lifetime of all analysis
1005    results, allowing it to :ref:`free memory
1006    <writing-an-llvm-pass-releaseMemory>` allocated to holding analysis results
1007    as soon as they are no longer needed.
1009 #. **Pipeline the execution of passes on the program.**  The ``PassManager``
1010    attempts to get better cache and memory usage behavior out of a series of
1011    passes by pipelining the passes together.  This means that, given a series
1012    of consecutive :ref:`FunctionPass <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>`, it
1013    will execute all of the :ref:`FunctionPass
1014    <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the first function, then all of the
1015    :ref:`FunctionPasses <writing-an-llvm-pass-FunctionPass>` on the second
1016    function, etc... until the entire program has been run through the passes.
1018    This improves the cache behavior of the compiler, because it is only
1019    touching the LLVM program representation for a single function at a time,
1020    instead of traversing the entire program.  It reduces the memory consumption
1021    of compiler, because, for example, only one `DominatorSet
1022    <https://llvm.org/doxygen/classllvm_1_1DominatorSet.html>`_ needs to be
1023    calculated at a time.  This also makes it possible to implement some
1024    :ref:`interesting enhancements <writing-an-llvm-pass-SMP>` in the future.
1026 The effectiveness of the ``PassManager`` is influenced directly by how much
1027 information it has about the behaviors of the passes it is scheduling.  For
1028 example, the "preserved" set is intentionally conservative in the face of an
1029 unimplemented :ref:`getAnalysisUsage <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>`
1030 method.  Not implementing when it should be implemented will have the effect of
1031 not allowing any analysis results to live across the execution of your pass.
1033 The ``PassManager`` class exposes a ``--debug-pass`` command line options that
1034 is useful for debugging pass execution, seeing how things work, and diagnosing
1035 when you should be preserving more analyses than you currently are.  (To get
1036 information about all of the variants of the ``--debug-pass`` option, just type
1037 "``opt -help-hidden``").
1039 By using the --debug-pass=Structure option, for example, we can see how our
1040 :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass interacts with other
1041 passes.  Lets try it out with the gvn and licm passes:
1043 .. code-block:: console
1045   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1046   ModulePass Manager
1047     FunctionPass Manager
1048       Dominator Tree Construction
1049       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1050       Function Alias Analysis Results
1051       Memory Dependence Analysis
1052       Global Value Numbering
1053       Natural Loop Information
1054       Canonicalize natural loops
1055       Loop-Closed SSA Form Pass
1056       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1057       Function Alias Analysis Results
1058       Scalar Evolution Analysis
1059       Loop Pass Manager
1060         Loop Invariant Code Motion
1061       Module Verifier
1062     Bitcode Writer
1064 This output shows us when passes are constructed.
1065 Here we see that GVN uses dominator tree information to do its job.  The LICM pass
1066 uses natural loop information, which uses dominator tree as well.
1068 After the LICM pass, the module verifier runs (which is automatically added by
1069 the :program:`opt` tool), which uses the dominator tree to check that the
1070 resultant LLVM code is well formed. Note that the dominator tree is computed
1071 once, and shared by three passes.
1073 Lets see how this changes when we run the :ref:`Hello World
1074 <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass in between the two passes:
1076 .. code-block:: console
1078   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1079   ModulePass Manager
1080     FunctionPass Manager
1081       Dominator Tree Construction
1082       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1083       Function Alias Analysis Results
1084       Memory Dependence Analysis
1085       Global Value Numbering
1086       Hello World Pass
1087       Dominator Tree Construction
1088       Natural Loop Information
1089       Canonicalize natural loops
1090       Loop-Closed SSA Form Pass
1091       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1092       Function Alias Analysis Results
1093       Scalar Evolution Analysis
1094       Loop Pass Manager
1095         Loop Invariant Code Motion
1096       Module Verifier
1097     Bitcode Writer
1098   Hello: __main
1099   Hello: puts
1100   Hello: main
1102 Here we see that the :ref:`Hello World <writing-an-llvm-pass-basiccode>` pass
1103 has killed the Dominator Tree pass, even though it doesn't modify the code at
1104 all!  To fix this, we need to add the following :ref:`getAnalysisUsage
1105 <writing-an-llvm-pass-getAnalysisUsage>` method to our pass:
1107 .. code-block:: c++
1109   // We don't modify the program, so we preserve all analyses
1110   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1111     AU.setPreservesAll();
1112   }
1114 Now when we run our pass, we get this output:
1116 .. code-block:: console
1118   $ opt -load lib/LLVMHello.so -gvn -hello -licm --debug-pass=Structure < hello.bc > /dev/null
1119   Pass Arguments:  -gvn -hello -licm
1120   ModulePass Manager
1121     FunctionPass Manager
1122       Dominator Tree Construction
1123       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1124       Function Alias Analysis Results
1125       Memory Dependence Analysis
1126       Global Value Numbering
1127       Hello World Pass
1128       Natural Loop Information
1129       Canonicalize natural loops
1130       Loop-Closed SSA Form Pass
1131       Basic Alias Analysis (stateless AA impl)
1132       Function Alias Analysis Results
1133       Scalar Evolution Analysis
1134       Loop Pass Manager
1135         Loop Invariant Code Motion
1136       Module Verifier
1137     Bitcode Writer
1138   Hello: __main
1139   Hello: puts
1140   Hello: main
1142 Which shows that we don't accidentally invalidate dominator information
1143 anymore, and therefore do not have to compute it twice.
1145 .. _writing-an-llvm-pass-releaseMemory:
1147 The ``releaseMemory`` method
1148 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1150 .. code-block:: c++
1152   virtual void releaseMemory();
1154 The ``PassManager`` automatically determines when to compute analysis results,
1155 and how long to keep them around for.  Because the lifetime of the pass object
1156 itself is effectively the entire duration of the compilation process, we need
1157 some way to free analysis results when they are no longer useful.  The
1158 ``releaseMemory`` virtual method is the way to do this.
1160 If you are writing an analysis or any other pass that retains a significant
1161 amount of state (for use by another pass which "requires" your pass and uses
1162 the :ref:`getAnalysis <writing-an-llvm-pass-getAnalysis>` method) you should
1163 implement ``releaseMemory`` to, well, release the memory allocated to maintain
1164 this internal state.  This method is called after the ``run*`` method for the
1165 class, before the next call of ``run*`` in your pass.
1167 Registering dynamically loaded passes
1168 =====================================
1170 *Size matters* when constructing production quality tools using LLVM, both for
1171 the purposes of distribution, and for regulating the resident code size when
1172 running on the target system.  Therefore, it becomes desirable to selectively
1173 use some passes, while omitting others and maintain the flexibility to change
1174 configurations later on.  You want to be able to do all this, and, provide
1175 feedback to the user.  This is where pass registration comes into play.
1177 The fundamental mechanisms for pass registration are the
1178 ``MachinePassRegistry`` class and subclasses of ``MachinePassRegistryNode``.
1180 An instance of ``MachinePassRegistry`` is used to maintain a list of
1181 ``MachinePassRegistryNode`` objects.  This instance maintains the list and
1182 communicates additions and deletions to the command line interface.
1184 An instance of ``MachinePassRegistryNode`` subclass is used to maintain
1185 information provided about a particular pass.  This information includes the
1186 command line name, the command help string and the address of the function used
1187 to create an instance of the pass.  A global static constructor of one of these
1188 instances *registers* with a corresponding ``MachinePassRegistry``, the static
1189 destructor *unregisters*.  Thus a pass that is statically linked in the tool
1190 will be registered at start up.  A dynamically loaded pass will register on
1191 load and unregister at unload.
1193 Using existing registries
1194 -------------------------
1196 There are predefined registries to track instruction scheduling
1197 (``RegisterScheduler``) and register allocation (``RegisterRegAlloc``) machine
1198 passes.  Here we will describe how to *register* a register allocator machine
1199 pass.
1201 Implement your register allocator machine pass.  In your register allocator
1202 ``.cpp`` file add the following include:
1204 .. code-block:: c++
1206   #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
1208 Also in your register allocator ``.cpp`` file, define a creator function in the
1209 form:
1211 .. code-block:: c++
1213   FunctionPass *createMyRegisterAllocator() {
1214     return new MyRegisterAllocator();
1215   }
1217 Note that the signature of this function should match the type of
1218 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.  In the same file add the "installing"
1219 declaration, in the form:
1221 .. code-block:: c++
1223   static RegisterRegAlloc myRegAlloc("myregalloc",
1224                                      "my register allocator help string",
1225                                      createMyRegisterAllocator);
1227 Note the two spaces prior to the help string produces a tidy result on the
1228 :option:`-help` query.
1230 .. code-block:: console
1232   $ llc -help
1233     ...
1234     -regalloc                    - Register allocator to use (default=linearscan)
1235       =linearscan                -   linear scan register allocator
1236       =local                     -   local register allocator
1237       =simple                    -   simple register allocator
1238       =myregalloc                -   my register allocator help string
1239     ...
1241 And that's it.  The user is now free to use ``-regalloc=myregalloc`` as an
1242 option.  Registering instruction schedulers is similar except use the
1243 ``RegisterScheduler`` class.  Note that the
1244 ``RegisterScheduler::FunctionPassCtor`` is significantly different from
1245 ``RegisterRegAlloc::FunctionPassCtor``.
1247 To force the load/linking of your register allocator into the
1248 :program:`llc`/:program:`lli` tools, add your creator function's global
1249 declaration to ``Passes.h`` and add a "pseudo" call line to
1250 ``llvm/Codegen/LinkAllCodegenComponents.h``.
1252 Creating new registries
1253 -----------------------
1255 The easiest way to get started is to clone one of the existing registries; we
1256 recommend ``llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h``.  The key things to modify are
1257 the class name and the ``FunctionPassCtor`` type.
1259 Then you need to declare the registry.  Example: if your pass registry is
1260 ``RegisterMyPasses`` then define:
1262 .. code-block:: c++
1264   MachinePassRegistry<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor> RegisterMyPasses::Registry;
1266 And finally, declare the command line option for your passes.  Example:
1268 .. code-block:: c++
1270   cl::opt<RegisterMyPasses::FunctionPassCtor, false,
1271           RegisterPassParser<RegisterMyPasses> >
1272   MyPassOpt("mypass",
1273             cl::init(&createDefaultMyPass),
1274             cl::desc("my pass option help"));
1276 Here the command option is "``mypass``", with ``createDefaultMyPass`` as the
1277 default creator.
1279 Using GDB with dynamically loaded passes
1280 ----------------------------------------
1282 Unfortunately, using GDB with dynamically loaded passes is not as easy as it
1283 should be.  First of all, you can't set a breakpoint in a shared object that
1284 has not been loaded yet, and second of all there are problems with inlined
1285 functions in shared objects.  Here are some suggestions to debugging your pass
1286 with GDB.
1288 For sake of discussion, I'm going to assume that you are debugging a
1289 transformation invoked by :program:`opt`, although nothing described here
1290 depends on that.
1292 Setting a breakpoint in your pass
1293 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1295 First thing you do is start gdb on the opt process:
1297 .. code-block:: console
1299   $ gdb opt
1300   GNU gdb 5.0
1301   Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
1302   GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
1303   welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
1304   Type "show copying" to see the conditions.
1305   There is absolutely no warranty for GDB.  Type "show warranty" for details.
1306   This GDB was configured as "sparc-sun-solaris2.6"...
1307   (gdb)
1309 Note that :program:`opt` has a lot of debugging information in it, so it takes
1310 time to load.  Be patient.  Since we cannot set a breakpoint in our pass yet
1311 (the shared object isn't loaded until runtime), we must execute the process,
1312 and have it stop before it invokes our pass, but after it has loaded the shared
1313 object.  The most foolproof way of doing this is to set a breakpoint in
1314 ``PassManager::run`` and then run the process with the arguments you want:
1316 .. code-block:: console
1318   $ (gdb) break llvm::PassManager::run
1319   Breakpoint 1 at 0x2413bc: file Pass.cpp, line 70.
1320   (gdb) run test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1321   Starting program: opt test.bc -load $(LLVMTOP)/llvm/Debug+Asserts/lib/[libname].so -[passoption]
1322   Breakpoint 1, PassManager::run (this=0xffbef174, M=@0x70b298) at Pass.cpp:70
1323   70      bool PassManager::run(Module &M) { return PM->run(M); }
1324   (gdb)
1326 Once the :program:`opt` stops in the ``PassManager::run`` method you are now
1327 free to set breakpoints in your pass so that you can trace through execution or
1328 do other standard debugging stuff.
1330 Miscellaneous Problems
1331 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1333 Once you have the basics down, there are a couple of problems that GDB has,
1334 some with solutions, some without.
1336 * Inline functions have bogus stack information.  In general, GDB does a pretty
1337   good job getting stack traces and stepping through inline functions.  When a
1338   pass is dynamically loaded however, it somehow completely loses this
1339   capability.  The only solution I know of is to de-inline a function (move it
1340   from the body of a class to a ``.cpp`` file).
1342 * Restarting the program breaks breakpoints.  After following the information
1343   above, you have succeeded in getting some breakpoints planted in your pass.
1344   Next thing you know, you restart the program (i.e., you type "``run``" again),
1345   and you start getting errors about breakpoints being unsettable.  The only
1346   way I have found to "fix" this problem is to delete the breakpoints that are
1347   already set in your pass, run the program, and re-set the breakpoints once
1348   execution stops in ``PassManager::run``.
1350 Hopefully these tips will help with common case debugging situations.  If you'd
1351 like to contribute some tips of your own, just contact `Chris
1352 <mailto:sabre@nondot.org>`_.
1354 Future extensions planned
1355 -------------------------
1357 Although the LLVM Pass Infrastructure is very capable as it stands, and does
1358 some nifty stuff, there are things we'd like to add in the future.  Here is
1359 where we are going:
1361 .. _writing-an-llvm-pass-SMP:
1363 Multithreaded LLVM
1364 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1366 Multiple CPU machines are becoming more common and compilation can never be
1367 fast enough: obviously we should allow for a multithreaded compiler.  Because
1368 of the semantics defined for passes above (specifically they cannot maintain
1369 state across invocations of their ``run*`` methods), a nice clean way to
1370 implement a multithreaded compiler would be for the ``PassManager`` class to
1371 create multiple instances of each pass object, and allow the separate instances
1372 to be hacking on different parts of the program at the same time.
1374 This implementation would prevent each of the passes from having to implement
1375 multithreaded constructs, requiring only the LLVM core to have locking in a few
1376 places (for global resources).  Although this is a simple extension, we simply
1377 haven't had time (or multiprocessor machines, thus a reason) to implement this.
1378 Despite that, we have kept the LLVM passes SMP ready, and you should too.