[RISCV] Regenerate autogen test to remove spurious diff
[llvm-project.git] / llvm / docs / NewPassManager.rst
blob4554d800437548bc4d93f21f8f75a85e16e636dc
1 ==========================
2 Using the New Pass Manager
3 ==========================
5 .. contents::
6     :local:
8 Overview
9 ========
11 For an overview of the new pass manager, see the `blog post
12 <https://blog.llvm.org/posts/2021-03-26-the-new-pass-manager/>`_.
14 Just Tell Me How To Run The Default Optimization Pipeline With The New Pass Manager
15 ===================================================================================
17 .. code-block:: c++
19   // Create the analysis managers.
20   // These must be declared in this order so that they are destroyed in the
21   // correct order due to inter-analysis-manager references.
22   LoopAnalysisManager LAM;
23   FunctionAnalysisManager FAM;
24   CGSCCAnalysisManager CGAM;
25   ModuleAnalysisManager MAM;
27   // Create the new pass manager builder.
28   // Take a look at the PassBuilder constructor parameters for more
29   // customization, e.g. specifying a TargetMachine or various debugging
30   // options.
31   PassBuilder PB;
33   // Register all the basic analyses with the managers.
34   PB.registerModuleAnalyses(MAM);
35   PB.registerCGSCCAnalyses(CGAM);
36   PB.registerFunctionAnalyses(FAM);
37   PB.registerLoopAnalyses(LAM);
38   PB.crossRegisterProxies(LAM, FAM, CGAM, MAM);
40   // Create the pass manager.
41   // This one corresponds to a typical -O2 optimization pipeline.
42   ModulePassManager MPM = PB.buildPerModuleDefaultPipeline(OptimizationLevel::O2);
44   // Optimize the IR!
45   MPM.run(MyModule, MAM);
47 The C API also supports most of this, see ``llvm-c/Transforms/PassBuilder.h``.
49 Adding Passes to a Pass Manager
50 ===============================
52 For how to write a new PM pass, see :doc:`this page <WritingAnLLVMNewPMPass>`.
54 To add a pass to a new PM pass manager, the important thing is to match the
55 pass type and the pass manager type. For example, a ``FunctionPassManager``
56 can only contain function passes:
58 .. code-block:: c++
60   FunctionPassManager FPM;
61   // InstSimplifyPass is a function pass
62   FPM.addPass(InstSimplifyPass());
64 If you want to add a loop pass that runs on all loops in a function to a
65 ``FunctionPassManager``, the loop pass must be wrapped in a function pass
66 adaptor that goes through all the loops in the function and runs the loop
67 pass on each one.
69 .. code-block:: c++
71   FunctionPassManager FPM;
72   // LoopRotatePass is a loop pass
73   FPM.addPass(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopRotatePass()));
75 The IR hierarchy in terms of the new PM is Module -> (CGSCC ->) Function ->
76 Loop, where going through a CGSCC is optional.
78 .. code-block:: c++
80   FunctionPassManager FPM;
81   // loop -> function
82   FPM.addPass(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass()));
84   CGSCCPassManager CGPM;
85   // loop -> function -> cgscc
86   CGPM.addPass(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass())));
87   // function -> cgscc
88   CGPM.addPass(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass()));
90   ModulePassManager MPM;
91   // loop -> function -> module
92   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass())));
93   // function -> module
94   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass()));
96   // loop -> function -> cgscc -> module
97   MPM.addPass(createModuleToPostOrderCGSCCPassAdaptor(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(createFunctionToLoopPassAdaptor(LoopFooPass()))));
98   // function -> cgscc -> module
99   MPM.addPass(createModuleToPostOrderCGSCCPassAdaptor(createCGSCCToFunctionPassAdaptor(FunctionFooPass())));
102 A pass manager of a specific IR unit is also a pass of that kind. For
103 example, a ``FunctionPassManager`` is a function pass, meaning it can be
104 added to a ``ModulePassManager``:
106 .. code-block:: c++
108   ModulePassManager MPM;
110   FunctionPassManager FPM;
111   // InstSimplifyPass is a function pass
112   FPM.addPass(InstSimplifyPass());
114   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(std::move(FPM)));
116 Generally you want to group CGSCC/function/loop passes together in a pass
117 manager, as opposed to adding adaptors for each pass to the containing upper
118 level pass manager. For example,
120 .. code-block:: c++
122   ModulePassManager MPM;
123   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionPass1()));
124   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(FunctionPass2()));
125   MPM.run();
127 will run ``FunctionPass1`` on each function in a module, then run
128 ``FunctionPass2`` on each function in the module. In contrast,
130 .. code-block:: c++
132   ModulePassManager MPM;
134   FunctionPassManager FPM;
135   FPM.addPass(FunctionPass1());
136   FPM.addPass(FunctionPass2());
138   MPM.addPass(createModuleToFunctionPassAdaptor(std::move(FPM)));
140 will run ``FunctionPass1`` and ``FunctionPass2`` on the first function in a
141 module, then run both passes on the second function in the module, and so on.
142 This is better for cache locality around LLVM data structures. This similarly
143 applies for the other IR types, and in some cases can even affect the quality
144 of optimization. For example, running all loop passes on a loop may cause a
145 later loop to be able to be optimized more than if each loop pass were run
146 separately.
148 Inserting Passes into Default Pipelines
149 =======================================
151 Rather than manually adding passes to a pass manager, the typical way of
152 creating a pass manager is to use a ``PassBuilder`` and call something like
153 ``PassBuilder::buildPerModuleDefaultPipeline()`` which creates a typical
154 pipeline for a given optimization level.
156 Sometimes either frontends or backends will want to inject passes into the
157 pipeline. For example, frontends may want to add instrumentation, and target
158 backends may want to add passes that lower custom intrinsics. For these
159 cases, ``PassBuilder`` exposes callbacks that allow injecting passes into
160 certain parts of the pipeline. For example,
162 .. code-block:: c++
164   PassBuilder PB;
165   PB.registerPipelineStartEPCallback([&](ModulePassManager &MPM,
166                                          PassBuilder::OptimizationLevel Level) {
167       MPM.addPass(FooPass());
168   };
170 will add ``FooPass`` near the very beginning of the pipeline for pass
171 managers created by that ``PassBuilder``. See the documentation for
172 ``PassBuilder`` for the various places that passes can be added.
174 If a ``PassBuilder`` has a corresponding ``TargetMachine`` for a backend, it
175 will call ``TargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()`` to allow the
176 backend to inject passes into the pipeline.
178 Clang's ``BackendUtil.cpp`` shows examples of a frontend adding (mostly
179 sanitizer) passes to various parts of the pipeline.
180 ``AMDGPUTargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()`` is an example of a
181 backend adding passes to various parts of the pipeline.
183 Pass plugins can also add passes into default pipelines. Different tools have
184 different ways of loading dynamic pass plugins. For example, ``opt
185 -load-pass-plugin=path/to/plugin.so`` loads a pass plugin into ``opt``. For
186 information on writing a pass plugin, see :doc:`WritingAnLLVMNewPMPass`.
188 Using Analyses
189 ==============
191 LLVM provides many analyses that passes can use, such as a dominator tree.
192 Calculating these can be expensive, so the new pass manager has
193 infrastructure to cache analyses and reuse them when possible.
195 When a pass runs on some IR, it also receives an analysis manager which it can
196 query for analyses. Querying for an analysis will cause the manager to check if
197 it has already computed the result for the requested IR. If it already has and
198 the result is still valid, it will return that. Otherwise it will construct a
199 new result by calling the analysis's ``run()`` method, cache it, and return it.
200 You can also ask the analysis manager to only return an analysis if it's
201 already cached.
203 The analysis manager only provides analysis results for the same IR type as
204 what the pass runs on. For example, a function pass receives an analysis
205 manager that only provides function-level analyses. This works for many
206 passes which work on a fixed scope. However, some passes want to peek up or
207 down the IR hierarchy. For example, an SCC pass may want to look at function
208 analyses for the functions inside the SCC. Or it may want to look at some
209 immutable global analysis. In these cases, the analysis manager can provide a
210 proxy to an outer or inner level analysis manager. For example, to get a
211 ``FunctionAnalysisManager`` from a ``CGSCCAnalysisManager``, you can call
213 .. code-block:: c++
215   FunctionAnalysisManager &FAM =
216       AM.getResult<FunctionAnalysisManagerCGSCCProxy>(InitialC, CG)
217           .getManager();
219 and use ``FAM`` as a typical ``FunctionAnalysisManager`` that a function pass
220 would have access to. To get access to an outer level IR analysis, you can
221 call
223 .. code-block:: c++
225   const auto &MAMProxy =
226       AM.getResult<ModuleAnalysisManagerCGSCCProxy>(InitialC, CG);
227   FooAnalysisResult *AR = MAMProxy.getCachedResult<FooAnalysis>(M);
229 Asking for a cached and immutable outer level IR analysis works via
230 ``getCachedResult()``, but getting direct access to an outer level IR analysis
231 manager to compute an outer level IR analysis is not allowed. This is for a
232 couple reasons.
234 The first reason is that running analyses across outer level IR in inner level
235 IR passes can result in quadratic compile time behavior. For example, a module
236 analysis often scans every function and allowing function passes to run a module
237 analysis may cause us to scan functions a quadratic number of times. If passes
238 could keep outer level analyses up to date rather than computing them on demand
239 this wouldn't be an issue, but that would be a lot of work to ensure every pass
240 updates all outer level analyses, and so far this hasn't been necessary and
241 there isn't infrastructure for this (aside from function analyses in loop passes
242 as described below). Self-updating analyses that gracefully degrade also handle
243 this problem (e.g. GlobalsAA), but they run into the issue of having to be
244 manually recomputed somewhere in the optimization pipeline if we want precision,
245 and they block potential future concurrency.
247 The second reason is to keep in mind potential future pass concurrency, for
248 example parallelizing function passes over different functions in a CGSCC or
249 module. Since passes can ask for a cached analysis result, allowing passes to
250 trigger outer level analysis computation could result in non-determinism if
251 concurrency was supported. A related limitation is that outer level IR analyses
252 that are used must be immutable, or else they could be invalidated by changes to
253 inner level IR. Outer analyses unused by inner passes can and often will be
254 invalidated by changes to inner level IR. These invalidations happen after the
255 inner pass manager finishes, so accessing mutable analyses would give invalid
256 results.
258 The exception to not being able to access outer level analyses is accessing
259 function analyses in loop passes. Loop passes often use function analyses such
260 as the dominator tree. Loop passes inherently require modifying the function the
261 loop is in, and that includes some function analyses the loop analyses depend
262 on. This discounts future concurrency over separate loops in a function, but
263 that's a tradeoff due to how tightly a loop and its function are coupled. To
264 make sure the function analyses that loop passes use are valid, they are
265 manually updated in the loop passes to ensure that invalidation is not
266 necessary. There is a set of common function analyses that loop passes and
267 analyses have access to which is passed into loop passes as a
268 ``LoopStandardAnalysisResults`` parameter. Other mutable function analyses are
269 not accessible from loop passes.
271 As with any caching mechanism, we need some way to tell analysis managers
272 when results are no longer valid. Much of the analysis manager complexity
273 comes from trying to invalidate as few analysis results as possible to keep
274 compile times as low as possible.
276 There are two ways to deal with potentially invalid analysis results. One is
277 to simply force clear the results. This should generally only be used when
278 the IR that the result is keyed on becomes invalid. For example, a function
279 is deleted, or a CGSCC has become invalid due to call graph changes.
281 The typical way to invalidate analysis results is for a pass to declare what
282 types of analyses it preserves and what types it does not. When transforming
283 IR, a pass either has the option to update analyses alongside the IR
284 transformation, or tell the analysis manager that analyses are no longer
285 valid and should be invalidated. If a pass wants to keep some specific
286 analysis up to date, such as when updating it would be faster than
287 invalidating and recalculating it, the analysis itself may have methods to
288 update it for specific transformations, or there may be helper updaters like
289 ``DomTreeUpdater`` for a ``DominatorTree``. Otherwise to mark some analysis
290 as no longer valid, the pass can return a ``PreservedAnalyses`` with the
291 proper analyses invalidated.
293 .. code-block:: c++
295   // We've made no transformations that can affect any analyses.
296   return PreservedAnalyses::all();
298   // We've made transformations and don't want to bother to update any analyses.
299   return PreservedAnalyses::none();
301   // We've specifically updated the dominator tree alongside any transformations, but other analysis results may be invalid.
302   PreservedAnalyses PA;
303   PA.preserve<DominatorAnalysis>();
304   return PA;
306   // We haven't made any control flow changes, any analyses that only care about the control flow are still valid.
307   PreservedAnalyses PA;
308   PA.preserveSet<CFGAnalyses>();
309   return PA;
311 The pass manager will call the analysis manager's ``invalidate()`` method
312 with the pass's returned ``PreservedAnalyses``. This can be also done
313 manually within the pass:
315 .. code-block:: c++
317   FooModulePass::run(Module& M, ModuleAnalysisManager& AM) {
318     auto &FAM = AM.getResult<FunctionAnalysisManagerModuleProxy>(M).getManager();
320     // Invalidate all analysis results for function F1.
321     FAM.invalidate(F1, PreservedAnalyses::none());
323     // Invalidate all analysis results across the entire module.
324     AM.invalidate(M, PreservedAnalyses::none());
326     // Clear the entry in the analysis manager for function F2 if we've completely removed it from the module.
327     FAM.clear(F2);
329     ...
330   }
332 One thing to note when accessing inner level IR analyses is cached results for
333 deleted IR. If a function is deleted in a module pass, its address is still used
334 as the key for cached analyses. Take care in the pass to either clear the
335 results for that function or not use inner analyses at all.
337 ``AM.invalidate(M, PreservedAnalyses::none());`` will invalidate the inner
338 analysis manager proxy which will clear all cached analyses, conservatively
339 assuming that there are invalid addresses used as keys for cached analyses.
340 However, if you'd like to be more selective about which analyses are
341 cached/invalidated, you can mark the analysis manager proxy as preserved,
342 essentially saying that all deleted entries have been taken care of manually.
343 This should only be done with measurable compile time gains as it can be tricky
344 to make sure all the right analyses are invalidated.
346 Implementing Analysis Invalidation
347 ==================================
349 By default, an analysis is invalidated if ``PreservedAnalyses`` says that
350 analyses on the IR unit it runs on are not preserved (see
351 ``AnalysisResultModel::invalidate()``). An analysis can implement
352 ``invalidate()`` to be more conservative when it comes to invalidation. For
353 example,
355 .. code-block:: c++
357   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
358                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &) {
359     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
360     // the default would be:
361     // return !(PAC.preserved() || PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>());
362     return !(PAC.preserved() || PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>()
363         || PAC.preservedSet<CFGAnalyses>());
364   }
366 says that if the ``PreservedAnalyses`` specifically preserves
367 ``FooAnalysis``, or if ``PreservedAnalyses`` preserves all analyses (implicit
368 in ``PAC.preserved()``), or if ``PreservedAnalyses`` preserves all function
369 analyses, or ``PreservedAnalyses`` preserves all analyses that only care
370 about the CFG, the ``FooAnalysisResult`` should not be invalidated.
372 If an analysis is stateless and generally shouldn't be invalidated, use the
373 following:
375 .. code-block:: c++
377   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
378                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &) {
379     // Check whether the analysis has been explicitly invalidated. Otherwise, it's
380     // stateless and remains preserved.
381     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
382     return !PAC.preservedWhenStateless();
383   }
385 If an analysis depends on other analyses, those analyses also need to be
386 checked if they are invalidated:
388 .. code-block:: c++
390   bool FooAnalysisResult::invalidate(Function &F, const PreservedAnalyses &PA,
391                                      FunctionAnalysisManager::Invalidator &Inv) {
392     auto PAC = PA.getChecker<FooAnalysis>();
393     if (!PAC.preserved() && !PAC.preservedSet<AllAnalysesOn<Function>>())
394       return true;
396     // Check transitive dependencies.
397     return Inv.invalidate<BarAnalysis>(F, PA) ||
398           Inv.invalidate<BazAnalysis>(F, PA);
399   }
401 Combining invalidation and analysis manager proxies results in some
402 complexity. For example, when we invalidate all analyses in a module pass,
403 we have to make sure that we also invalidate function analyses accessible via
404 any existing inner proxies. The inner proxy's ``invalidate()`` first checks
405 if the proxy itself should be invalidated. If so, that means the proxy may
406 contain pointers to IR that is no longer valid, meaning that the inner proxy
407 needs to completely clear all relevant analysis results. Otherwise the proxy
408 simply forwards the invalidation to the inner analysis manager.
410 Generally for outer proxies, analysis results from the outer analysis manager
411 should be immutable, so invalidation shouldn't be a concern. However, it is
412 possible for some inner analysis to depend on some outer analysis, and when
413 the outer analysis is invalidated, we need to make sure that dependent inner
414 analyses are also invalidated. This actually happens with alias analysis
415 results. Alias analysis is a function-level analysis, but there are
416 module-level implementations of specific types of alias analysis. Currently
417 ``GlobalsAA`` is the only module-level alias analysis and it generally is not
418 invalidated so this is not so much of a concern. See
419 ``OuterAnalysisManagerProxy::Result::registerOuterAnalysisInvalidation()``
420 for more details.
422 Invoking ``opt``
423 ================
425 .. code-block:: shell
427   $ opt -passes='pass1,pass2' /tmp/a.ll -S
428   # -p is an alias for -passes
429   $ opt -p pass1,pass2 /tmp/a.ll -S
431 The new PM typically requires explicit pass nesting. For example, to run a
432 function pass, then a module pass, we need to wrap the function pass in a module
433 adaptor:
435 .. code-block:: shell
437   $ opt -passes='function(no-op-function),no-op-module' /tmp/a.ll -S
439 A more complete example, and ``-debug-pass-manager`` to show the execution
440 order:
442 .. code-block:: shell
444   $ opt -passes='no-op-module,cgscc(no-op-cgscc,function(no-op-function,loop(no-op-loop))),function(no-op-function,loop(no-op-loop))' /tmp/a.ll -S -debug-pass-manager
446 Improper nesting can lead to error messages such as
448 .. code-block:: shell
450   $ opt -passes='no-op-function,no-op-module' /tmp/a.ll -S
451   opt: unknown function pass 'no-op-module'
453 The nesting is: module (-> cgscc) -> function -> loop, where the CGSCC nesting is optional.
455 There are a couple of special cases for easier typing:
457 * If the first pass is not a module pass, a pass manager of the first pass is
458   implicitly created
460   * For example, the following are equivalent
462 .. code-block:: shell
464   $ opt -passes='no-op-function,no-op-function' /tmp/a.ll -S
465   $ opt -passes='function(no-op-function,no-op-function)' /tmp/a.ll -S
467 * If there is an adaptor for a pass that lets it fit in the previous pass
468   manager, that is implicitly created
470   * For example, the following are equivalent
472 .. code-block:: shell
474   $ opt -passes='no-op-function,no-op-loop' /tmp/a.ll -S
475   $ opt -passes='no-op-function,loop(no-op-loop)' /tmp/a.ll -S
477 For a list of available passes and analyses, including the IR unit (module,
478 CGSCC, function, loop) they operate on, run
480 .. code-block:: shell
482   $ opt --print-passes
484 or take a look at ``PassRegistry.def``.
486 To make sure an analysis named ``foo`` is available before a pass, add
487 ``require<foo>`` to the pass pipeline. This adds a pass that simply requests
488 that the analysis is run. This pass is also subject to proper nesting.  For
489 example, to make sure some function analysis is already computed for all
490 functions before a module pass:
492 .. code-block:: shell
494   $ opt -passes='function(require<my-function-analysis>),my-module-pass' /tmp/a.ll -S
496 Status of the New and Legacy Pass Managers
497 ==========================================
499 LLVM currently contains two pass managers, the legacy PM and the new PM. The
500 optimization pipeline (aka the middle-end) uses the new PM, whereas the backend
501 target-dependent code generation uses the legacy PM.
503 The legacy PM somewhat works with the optimization pipeline, but this is
504 deprecated and there are ongoing efforts to remove its usage.
506 Some IR passes are considered part of the backend codegen pipeline even if
507 they are LLVM IR passes (whereas all MIR passes are codegen passes). This
508 includes anything added via ``TargetPassConfig`` hooks, e.g.
509 ``TargetPassConfig::addCodeGenPrepare()``.
511 The ``TargetMachine::adjustPassManager()`` function that was used to extend a
512 legacy PM with passes on a per target basis has been removed. It was mainly
513 used from opt, but since support for using the default pipelines has been
514 removed in opt the function isn't needed any longer. In the new PM such
515 adjustments are done by using ``TargetMachine::registerPassBuilderCallbacks()``.
517 Currently there are efforts to make the codegen pipeline work with the new