OSDN Git Service

* doc/bugreport.texi, doc/configterms.texi, doc/contrib.texi,
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / gcc / doc / tree-ssa.texi
1 @c Copyright (c) 2004 Free Software Foundation, Inc.
2 @c Free Software Foundation, Inc.
3 @c This is part of the GCC manual.
4 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
5
6 @c ---------------------------------------------------------------------
7 @c Tree SSA
8 @c ---------------------------------------------------------------------
9
10 @node Tree SSA
11 @chapter Analysis and Optimization of GIMPLE Trees
12 @cindex Tree SSA
13 @cindex Optimization infrastructure for GIMPLE
14
15 GCC uses three main intermediate languages to represent the program
16 during compilation: GENERIC, GIMPLE and RTL@.  GENERIC is a
17 language-independent representation generated by each front end.  It
18 is used to serve as an interface between the parser and optimizer.
19 GENERIC is a common representation that is able to represent programs
20 written in all the languages supported by GCC@.
21
22 GIMPLE and RTL are used to optimize the program.  GIMPLE is used for
23 target and language independent optimizations (e.g., inlining,
24 constant propagation, tail call elimination, redundancy elimination,
25 etc).  Much like GENERIC, GIMPLE is a language independent, tree based
26 representation. However, it differs from GENERIC in that the GIMPLE
27 grammar is more restrictive: expressions contain no more than 3
28 operands (except function calls), it has no control flow structures
29 and expressions with side-effects are only allowed on the right hand
30 side of assignments.  See the chapter describing GENERIC and GIMPLE
31 for more details.
32
33 This chapter describes the data structures and functions used in the
34 GIMPLE optimizers (also known as ``tree optimizers'' or ``middle
35 end'').  In particular, it focuses on all the macros, data structures,
36 functions and programming constructs needed to implement optimization
37 passes for GIMPLE@.
38
39 @menu
40 * GENERIC::             A high-level language-independent representation.
41 * GIMPLE::              A lower-level factored tree representation.
42 * Annotations::         Attributes for statements and variables.
43 * Statement Operands::  Variables referenced by GIMPLE statements.
44 * SSA::                 Static Single Assignment representation.
45 * Alias analysis::      Representing aliased loads and stores.
46 @end menu
47
48 @node GENERIC
49 @section GENERIC
50 @cindex GENERIC
51
52 The purpose of GENERIC is simply to provide a language-independent way of
53 representing an entire function in trees.  To this end, it was necessary to
54 add a few new tree codes to the back end, but most everything was already
55 there.  If you can express it with the codes in @code{gcc/tree.def}, it's
56 GENERIC.
57
58 Early on, there was a great deal of debate about how to think about
59 statements in a tree IL.  In GENERIC, a statement is defined as any
60 expression whose value, if any, is ignored.  A statement will always
61 have @code{TREE_SIDE_EFFECTS} set (or it will be discarded), but a
62 non-statement expression may also have side effects.  A
63 @code{CALL_EXPR}, for instance.
64
65 It would be possible for some local optimizations to work on the
66 GENERIC form of a function; indeed, the adapted tree inliner works
67 fine on GENERIC, but the current compiler performs inlining after
68 lowering to GIMPLE (a restricted form described in the next section).
69 Indeed, currently the frontends perform this lowering before handing
70 off to @code{tree_rest_of_compilation}, but this seems inelegant.
71
72 If necessary, a front end can use some language-dependent tree codes
73 in its GENERIC representation, so long as it provides a hook for
74 converting them to GIMPLE and doesn't expect them to work with any
75 (hypothetical) optimizers that run before the conversion to GIMPLE.
76 The intermediate representation used while parsing C and C++ looks
77 very little like GENERIC, but the C and C++ gimplifier hooks are
78 perfectly happy to take it as input and spit out GIMPLE.
79
80 @node GIMPLE
81 @section GIMPLE
82 @cindex GIMPLE
83
84 GIMPLE is a simplified subset of GENERIC for use in optimization.  The
85 particular subset chosen (and the name) was heavily influenced by the
86 SIMPLE IL used by the McCAT compiler project at McGill University,
87 though we have made some different choices.  For one thing, SIMPLE
88 doesn't support @code{goto}; a production compiler can't afford that
89 kind of restriction.
90
91 GIMPLE retains much of the structure of the parse trees: lexical
92 scopes are represented as containers, rather than markers.  However,
93 expressions are broken down into a 3-address form, using temporary
94 variables to hold intermediate values.  Also, control structures are
95 lowered to gotos.
96
97 In GIMPLE no container node is ever used for its value; if a
98 @code{COND_EXPR} or @code{BIND_EXPR} has a value, it is stored into a
99 temporary within the controlled blocks, and that temporary is used in
100 place of the container.
101
102 The compiler pass which lowers GENERIC to GIMPLE is referred to as the
103 @samp{gimplifier}.  The gimplifier works recursively, replacing complex
104 statements with sequences of simple statements.  
105
106 @c Currently, the only way to
107 @c tell whether or not an expression is in GIMPLE form is by recursively
108 @c examining it; in the future there will probably be a flag to help avoid
109 @c redundant work.  FIXME FIXME
110
111 @menu
112 * Interfaces::
113 * Temporaries::
114 * GIMPLE Expressions::
115 * Statements::
116 * GIMPLE Example::
117 * Rough GIMPLE Grammar::
118 @end menu
119
120 @node Interfaces
121 @subsection Interfaces
122 @cindex gimplification
123
124 The tree representation of a function is stored in
125 @code{DECL_SAVED_TREE}.  It is lowered to GIMPLE by a call to
126 @code{gimplify_function_tree}.
127
128 If a front end wants to include language-specific tree codes in the tree
129 representation which it provides to the back end, it must provide a
130 definition of @code{LANG_HOOKS_GIMPLIFY_EXPR} which knows how to
131 convert the front end trees to GIMPLE.  Usually such a hook will involve
132 much of the same code for expanding front end trees to RTL.  This function
133 can return fully lowered GIMPLE, or it can return GENERIC trees and let the
134 main gimplifier lower them the rest of the way; this is often simpler.
135
136 The C and C++ front ends currently convert directly from front end
137 trees to GIMPLE, and hand that off to the back end rather than first
138 converting to GENERIC.  Their gimplifier hooks know about all the
139 @code{_STMT} nodes and how to convert them to GENERIC forms.  There
140 was some work done on a genericization pass which would run first, but
141 the existence of @code{STMT_EXPR} meant that in order to convert all
142 of the C statements into GENERIC equivalents would involve walking the
143 entire tree anyway, so it was simpler to lower all the way.  This
144 might change in the future if someone writes an optimization pass
145 which would work better with higher-level trees, but currently the
146 optimizers all expect GIMPLE.
147
148 A front end which wants to use the tree optimizers (and already has
149 some sort of whole-function tree representation) only needs to provide
150 a definition of @code{LANG_HOOKS_GIMPLIFY_EXPR}, call
151 @code{gimplify_function_tree} to lower to GIMPLE, and then hand off to
152 @code{tree_rest_of_compilation} to compile and output the function.
153
154 You can tell the compiler to dump a C-like representation of the GIMPLE
155 form with the flag @code{-fdump-tree-gimple}.
156
157 @node Temporaries
158 @subsection Temporaries
159 @cindex Temporaries
160
161 When gimplification encounters a subexpression which is too complex, it
162 creates a new temporary variable to hold the value of the subexpression,
163 and adds a new statement to initialize it before the current statement.
164 These special temporaries are known as @samp{expression temporaries}, and are
165 allocated using @code{get_formal_tmp_var}.  The compiler tries to
166 always evaluate identical expressions into the same temporary, to simplify
167 elimination of redundant calculations.
168
169 We can only use expression temporaries when we know that it will not be
170 reevaluated before its value is used, and that it will not be otherwise
171 modified@footnote{These restrictions are derived from those in Morgan 4.8.}.
172 Other temporaries can be allocated using
173 @code{get_initialized_tmp_var} or @code{create_tmp_var}.
174
175 Currently, an expression like @code{a = b + 5} is not reduced any
176 further.  We tried converting it to something like
177 @smallexample
178   T1 = b + 5;
179   a = T1;
180 @end smallexample
181 but this bloated the representation for minimal benefit.  However, a
182 variable which must live in memory cannot appear in an expression; its
183 value is explicitly loaded into a temporary first.  Similarly, storing
184 the value of an expression to a memory variable goes through a
185 temporary.
186
187 @node GIMPLE Expressions
188 @subsection Expressions
189 @cindex GIMPLE Expressions
190
191 In general, expressions in GIMPLE consist of an operation and the
192 appropriate number of simple operands; these operands must either be a
193 GIMPLE rvalue (@code{is_gimple_val}), i.e. a constant or a register
194 variable.  More complex operands are factored out into temporaries, so
195 that
196 @smallexample
197   a = b + c + d 
198 @end smallexample
199 becomes
200 @smallexample
201   T1 = b + c;
202   a = T1 + d;
203 @end smallexample
204
205 The same rule holds for arguments to a @code{CALL_EXPR}.
206
207 The target of an assignment is usually a variable, but can also be an
208 @code{INDIRECT_REF} or a compound lvalue as described below.
209
210 @menu
211 * Compound Expressions::
212 * Compound Lvalues::
213 * Conditional Expressions::
214 * Logical Operators::
215 @end menu
216
217 @node Compound Expressions
218 @subsubsection Compound Expressions
219 @cindex Compound Expressions
220
221 The left-hand side of a C comma expression is simply moved into a separate
222 statement.
223
224 @node Compound Lvalues
225 @subsubsection Compound Lvalues
226 @cindex Compound Lvalues
227
228 Currently compound lvalues involving array and structure field references
229 are not broken down; an expression like @code{a.b[2] = 42} is not reduced
230 any further (though complex array subscripts are).  This restriction is a
231 workaround for limitations in later optimizers; if we were to convert this
232 to
233
234 @smallexample
235   T1 = &a.b;
236   T1[2] = 42;
237 @end smallexample
238
239 alias analysis would not remember that the reference to @code{T1[2]} came
240 by way of @code{a.b}, so it would think that the assignment could alias
241 another member of @code{a}; this broke @code{struct-alias-1.c}.  Future
242 optimizer improvements may make this limitation unnecessary.
243
244 @node Conditional Expressions
245 @subsubsection Conditional Expressions
246 @cindex Conditional Expressions
247
248 A C @code{?:} expression is converted into an @code{if} statement with
249 each branch assigning to the same temporary.  So,
250
251 @smallexample
252   a = b ? c : d;
253 @end smallexample
254 becomes
255 @smallexample
256   if (b)
257     T1 = c;
258   else
259     T1 = d;
260   a = T1;
261 @end smallexample
262
263 Note that in GIMPLE, @code{if} statements are also represented using
264 @code{COND_EXPR}, as described below.
265
266 @node Logical Operators
267 @subsubsection Logical Operators
268 @cindex Logical Operators
269
270 Except when they appear in the condition operand of a @code{COND_EXPR},
271 logical `and' and `or' operators are simplified as follows:
272 @code{a = b && c} becomes
273
274 @smallexample
275   T1 = (bool)b;
276   if (T1)
277     T1 = (bool)c;
278   a = T1;
279 @end smallexample
280
281 Note that @code{T1} in this example cannot be an expression temporary,
282 because it has two different assignments.
283
284 @node Statements
285 @subsection Statements
286 @cindex Statements
287
288 Most statements will be assignment statements, represented by
289 @code{MODIFY_EXPR}.  A @code{CALL_EXPR} whose value is ignored can
290 also be a statement.  No other C expressions can appear at statement level;
291 a reference to a volatile object is converted into a @code{MODIFY_EXPR}.
292 In GIMPLE form, type of @code{MODIFY_EXPR} is not meaningful. Instead, use type 
293 of LHS or RHS.
294
295 There are also several varieties of complex statements.
296
297 @menu
298 * Blocks::
299 * Statement Sequences::
300 * Empty Statements::
301 * Loops::
302 * Selection Statements::
303 * Jumps::
304 * Cleanups::
305 * GIMPLE Exception Handling::
306 @end menu
307
308 @node Blocks
309 @subsubsection Blocks
310 @cindex Blocks
311
312 Block scopes and the variables they declare in GENERIC and GIMPLE are
313 expressed using the @code{BIND_EXPR} code, which in previous versions of
314 GCC was primarily used for the C statement-expression extension.
315
316 Variables in a block are collected into @code{BIND_EXPR_VARS} in
317 declaration order.  Any runtime initialization is moved out of 
318 @code{DECL_INITIAL} and into a statement in the controlled block.  When
319 gimplifying from C or C++, this initialization replaces the
320 @code{DECL_STMT}.
321
322 Variable-length arrays (VLAs) complicate this process, as their size often
323 refers to variables initialized earlier in the block.  To handle this, we
324 currently split the block at that point, and move the VLA into a new, inner
325 @code{BIND_EXPR}.  This strategy may change in the future.
326
327 @code{DECL_SAVED_TREE} for a GIMPLE function will always be a 
328 @code{BIND_EXPR} which contains declarations for the temporary variables
329 used in the function.
330
331 A C++ program will usually contain more @code{BIND_EXPR}s than there are
332 syntactic blocks in the source code, since several C++ constructs have
333 implicit scopes associated with them.  On the other hand, although the C++
334 front end uses pseudo-scopes to handle cleanups for objects with
335 destructors, these don't translate into the GIMPLE form; multiple
336 declarations at the same level use the same BIND_EXPR.
337
338 @node Statement Sequences
339 @subsubsection Statement Sequences
340 @cindex Statement Sequences
341
342 Multiple statements at the same nesting level are collected into a
343 @code{STATEMENT_LIST}.  Statement lists are modified and traversed
344 using the interface in @samp{tree-iterator.h}.
345
346 @node Empty Statements
347 @subsubsection Empty Statements
348 @cindex Empty Statements
349
350 Whenever possible, statements with no effect are discarded.  But if they
351 are nested within another construct which cannot be discarded for some
352 reason, they are instead replaced with an empty statement, generated by
353 @code{build_empty_stmt}.  Initially, all empty statements were shared,
354 after the pattern of the Java front end, but this caused a lot of trouble in
355 practice.
356
357 An empty statement is represented as @code{(void)0}.
358
359 @node Loops
360 @subsubsection Loops
361 @cindex Loops
362
363 At one time loops were expressed in GIMPLE using @code{LOOP_EXPR}, but
364 now they are lowered to explicit gotos.
365
366 @node Selection Statements
367 @subsubsection Selection Statements
368 @cindex Selection Statements
369
370 A simple selection statement, such as the C @code{if} statement, is
371 expressed in GIMPLE using a void @code{COND_EXPR}.  If only one branch is
372 used, the other is filled with an empty statement.
373
374 Normally, the condition expression is reduced to a simple comparison.  If
375 it is a shortcut (@code{&&} or @code{||}) expression, however, we try to
376 break up the @code{if} into multiple @code{if}s so that the implied shortcut
377 is taken directly, much like the transformation done by @code{do_jump} in
378 the RTL expander.
379
380 A @code{SWITCH_EXPR} in GIMPLE contains the condition and a
381 @code{TREE_VEC} of @code{CASE_LABEL_EXPR}s describing the case values
382 and corresponding @code{LABEL_DECL}s to jump to.  The body of the
383 @code{switch} is moved after the @code{SWITCH_EXPR}.
384
385 @node Jumps
386 @subsubsection Jumps
387 @cindex Jumps
388
389 Other jumps are expressed by either @code{GOTO_EXPR} or @code{RETURN_EXPR}.
390
391 The operand of a @code{GOTO_EXPR} must be either a label or a variable
392 containing the address to jump to.
393
394 The operand of a @code{RETURN_EXPR} is either @code{NULL_TREE} or a
395 @code{MODIFY_EXPR} which sets the return value.  It would be nice to
396 move the @code{MODIFY_EXPR} into a separate statement, but the special
397 return semantics in @code{expand_return} make that difficult.  It may
398 still happen in the future, perhaps by moving most of that logic into
399 @code{expand_assignment}.
400
401 @node Cleanups
402 @subsubsection Cleanups
403 @cindex Cleanups
404
405 Destructors for local C++ objects and similar dynamic cleanups are
406 represented in GIMPLE by a @code{TRY_FINALLY_EXPR}.  When the controlled
407 block exits, the cleanup is run.
408
409 @code{TRY_FINALLY_EXPR} complicates the flow graph, since the cleanup
410 needs to appear on every edge out of the controlled block; this
411 reduces the freedom to move code across these edges.  Therefore, the
412 EH lowering pass which runs before most of the optimization passes
413 eliminates these expressions by explicitly adding the cleanup to each
414 edge.
415
416 @node GIMPLE Exception Handling
417 @subsubsection Exception Handling
418 @cindex GIMPLE Exception Handling
419
420 Other exception handling constructs are represented using
421 @code{TRY_CATCH_EXPR}.  The handler operand of a @code{TRY_CATCH_EXPR} 
422 can be a normal statement to be executed if the controlled block throws an
423 exception, or it can have one of two special forms:
424
425 @enumerate
426 @item A @code{CATCH_EXPR} executes its handler if the thrown exception
427   matches one of the allowed types.  Multiple handlers can be
428   expressed by a sequence of @code{CATCH_EXPR} statements.
429 @item An @code{EH_FILTER_EXPR} executes its handler if the thrown
430   exception does not match one of the allowed types.
431 @end enumerate
432
433 Currently throwing an exception is not directly represented in GIMPLE,
434 since it is implemented by calling a function.  At some point in the future
435 we will want to add some way to express that the call will throw an
436 exception of a known type.
437
438 Just before running the optimizers, the compiler lowers the high-level
439 EH constructs above into a set of @samp{goto}s, magic labels, and EH
440 regions.  Continuing to unwind at the end of a cleanup is represented
441 with a @code{RESX_EXPR}.
442
443 @node GIMPLE Example
444 @subsection GIMPLE Example
445 @cindex GIMPLE Example
446
447 @smallexample
448 struct A @{ A(); ~A(); @};
449
450 int i;
451 int g();
452 void f()
453 @{
454   A a;
455   int j = (--i, i ? 0 : 1);
456
457   for (int x = 42; x > 0; --x)
458     @{
459       i += g()*4 + 32;
460     @}
461 @}
462 @end smallexample
463
464 becomes
465
466 @smallexample
467 void f()
468 @{
469   int i.0;
470   int T.1;
471   int iftmp.2;
472   int T.3;
473   int T.4;
474   int T.5;
475   int T.6;
476
477   @{
478     struct A a;
479     int j;
480
481     __comp_ctor (&a);
482     try
483       @{
484         i.0 = i;
485         T.1 = i.0 - 1;
486         i = T.1;
487         i.0 = i;
488         if (i.0 == 0)
489           iftmp.2 = 1;
490         else
491           iftmp.2 = 0;
492         j = iftmp.2;
493         @{
494           int x;
495
496           x = 42;
497           goto test;
498           loop:;
499
500           T.3 = g ();
501           T.4 = T.3 * 4;
502           i.0 = i;
503           T.5 = T.4 + i.0;
504           T.6 = T.5 + 32;
505           i = T.6;
506           x = x - 1;
507
508           test:;
509           if (x > 0)
510             goto loop;
511           else
512             goto break_;
513           break_:;
514         @}
515       @}
516     finally
517       @{
518         __comp_dtor (&a);
519       @}
520   @}
521 @}
522 @end smallexample
523
524 @node Rough GIMPLE Grammar
525 @subsection Rough GIMPLE Grammar
526 @cindex Rough GIMPLE Grammar
527
528 @smallexample
529 function:
530   FUNCTION_DECL
531     DECL_SAVED_TREE -> block
532 block:
533   BIND_EXPR
534     BIND_EXPR_VARS -> DECL chain
535     BIND_EXPR_BLOCK -> BLOCK
536     BIND_EXPR_BODY 
537       -> compound-stmt
538 compound-stmt:
539   COMPOUND_EXPR
540     op0 -> non-compound-stmt
541     op1 -> stmt
542 stmt: compound-stmt
543   | non-compound-stmt
544 non-compound-stmt:
545   block
546   | if-stmt
547   | switch-stmt
548   | jump-stmt
549   | label-stmt
550   | try-stmt
551   | modify-stmt
552   | call-stmt
553 if-stmt:
554   COND_EXPR
555     op0 -> condition
556     op1 -> stmt
557     op2 -> stmt
558 switch-stmt:
559   SWITCH_EXPR
560     op0 -> val
561     op1 -> NULL_TREE
562     op2 -> TREE_VEC of CASE_LABEL_EXPRs
563 jump-stmt:
564     GOTO_EXPR
565       op0 -> LABEL_DECL | '*' ID
566   | RETURN_EXPR
567       op0 -> modify-stmt
568              | NULL_TREE
569 label-stmt:
570   LABEL_EXPR
571       op0 -> LABEL_DECL
572 try-stmt:
573   TRY_CATCH_EXPR
574     op0 -> stmt
575     op1 -> handler
576   | TRY_FINALLY_EXPR
577     op0 -> stmt
578     op1 -> stmt
579 handler:
580   catch-seq
581   | EH_FILTER_EXPR
582   | stmt
583 catch-seq:
584   CATCH_EXPR
585   | COMPOUND_EXPR
586       op0 -> CATCH_EXPR
587       op1 -> catch-seq
588 modify-stmt:
589   MODIFY_EXPR
590     op0 -> lhs
591     op1 -> rhs
592 call-stmt: CALL_EXPR
593   op0 -> _DECL | '&' _DECL
594   op1 -> arglist
595 arglist:
596   NULL_TREE
597   | TREE_LIST
598       op0 -> val
599       op1 -> arglist
600
601 varname : compref | _DECL
602 lhs: varname | '*' _DECL
603 pseudo-lval: _DECL | '*' _DECL
604 compref :
605   COMPONENT_REF
606     op0 -> compref | pseudo-lval
607   | ARRAY_REF
608     op0 -> compref | pseudo-lval
609     op1 -> val
610
611 condition : val | val relop val
612 val : _DECL | CONST
613
614 rhs: varname | CONST
615    | '*' _DECL
616    | '&' varname
617    | call_expr
618    | unop val
619    | val binop val
620    | '(' cast ')' val
621
622 unop: '+' | '-' | '!' | '~'
623
624 binop: relop | '-' | '+' | '/' | '*'
625   | '%' | '&' | '|' | '<<' | '>>' | '^'
626
627 relop: All tree codes of class '<'
628 @end smallexample
629
630 @node Annotations
631 @section Annotations
632 @cindex annotations
633
634 The optimizers need to associate attributes with statements and
635 variables during the optimization process.  For instance, we need to
636 know what basic block does a statement belong to or whether a variable
637 has aliases.  All these attributes are stored in data structures
638 called annotations which are then linked to the field @code{ann} in
639 @code{struct tree_common}.
640
641 Presently, we define annotations for statements (@code{stmt_ann_t}),
642 variables (@code{var_ann_t}) and SSA names (@code{ssa_name_ann_t}).
643 Annotations are defined and documented in @file{tree-flow.h}.
644
645
646 @node Statement Operands
647 @section Statement Operands
648 @cindex operands
649 @cindex virtual operands
650 @cindex real operands
651 @findex get_stmt_operands
652 @findex modify_stmt
653
654 Almost every GIMPLE statement will contain a reference to a variable
655 or memory location.  Since statements come in different shapes and
656 sizes, their operands are going to be located at various spots inside
657 the statement's tree.  To facilitate access to the statement's
658 operands, they are organized into arrays associated inside each
659 statement's annotation.  Each element in an operand array is a pointer
660 to a @code{VAR_DECL}, @code{PARM_DECL} or @code{SSA_NAME} tree node.
661 This provides a very convenient way of examining and replacing
662 operands.  
663
664 Data flow analysis and optimization is done on all tree nodes
665 representing variables.  Any node for which @code{SSA_VAR_P} returns
666 nonzero is considered when scanning statement operands.  However, not
667 all @code{SSA_VAR_P} variables are processed in the same way.  For the
668 purposes of optimization, we need to distinguish between references to
669 local scalar variables and references to globals, statics, structures,
670 arrays, aliased variables, etc.  The reason is simple, the compiler
671 can gather complete data flow information for a local scalar.  On the
672 other hand, a global variable may be modified by a function call, it
673 may not be possible to keep track of all the elements of an array or
674 the fields of a structure, etc.
675
676 The operand scanner gathers two kinds of operands: @dfn{real} and
677 @dfn{virtual}.  An operand for which @code{is_gimple_reg} returns true
678 is considered real, otherwise it is a virtual operand.  We also
679 distinguish between uses and definitions.  An operand is used if its
680 value is loaded by the statement (e.g., the operand at the RHS of an
681 assignment).  If the statement assigns a new value to the operand, the
682 operand is considered a definition (e.g., the operand at the LHS of
683 an assignment).
684
685 Virtual and real operands also have very different data flow
686 properties.  Real operands are unambiguous references to the
687 full object that they represent.  For instance, given
688
689 @smallexample
690 @{
691   int a, b;
692   a = b
693 @}
694 @end smallexample
695
696 Since @code{a} and @code{b} are non-aliased locals, the statement
697 @code{a = b} will have one real definition and one real use because
698 variable @code{b} is completely modified with the contents of
699 variable @code{a}.  Real definition are also known as @dfn{killing
700 definitions}.  Similarly, the use of @code{a} reads all its bits.
701
702 In contrast, virtual operands are used with variables that can have
703 a partial or ambiguous reference. This includes structures, arrays,
704 globals, and aliased variables. In these cases, we have two types of
705 definitions. For globals, structures, and arrays, we can determine from
706 a statement whether a variable of these types has a killing definition. 
707 If the variable does, then the statement is marked as having a
708 @dfn{must definition} of that variable. However, if a statement is only
709 defining a part of the variable (ie. a field in a structure), or if we
710 know that a statement might define the variable but we cannot say for sure,
711 then we mark that statement as having a @dfn{may definition}.  For 
712 instance, given
713
714 @smallexample
715 @{
716   int a, b, *p;
717
718   if (...)
719     p = &a;
720   else
721     p = &b;
722   *p = 5;
723   return *p;
724 @}
725 @end smallexample
726
727 The assignment @code{*p = 5} may be a definition of @code{a} or
728 @code{b}.  If we cannot determine statically where @code{p} is
729 pointing to at the time of the store operation, we create virtual
730 definitions to mark that statement as a potential definition site for
731 @code{a} and @code{b}.  Memory loads are similarly marked with virtual
732 use operands.  Virtual operands are shown in tree dumps right before
733 the statement that contains them.  To request a tree dump with virtual
734 operands, use the @option{-vops} option to @option{-fdump-tree}:
735
736 @smallexample
737 @{
738   int a, b, *p;
739
740   if (...)
741     p = &a;
742   else
743     p = &b;
744   # a = V_MAY_DEF <a>
745   # b = V_MAY_DEF <b>
746   *p = 5;
747
748   # VUSE <a>
749   # VUSE <b>
750   return *p;
751 @}
752 @end smallexample
753
754 Notice that @code{V_MAY_DEF} operands have two copies of the referenced
755 variable.  This indicates that this is not a killing definition of
756 that variable.  In this case we refer to it as a @dfn{may definition}
757 or @dfn{aliased store}.  The presence of the second copy of the
758 variable in the @code{V_MAY_DEF} operand will become important when the
759 function is converted into SSA form.  This will be used to link all
760 the non-killing definitions to prevent optimizations from making
761 incorrect assumptions about them.
762
763 Operands are collected by @file{tree-ssa-operands.c}.  They are stored
764 inside each statement's annotation and can be accessed with
765 @code{DEF_OPS}, @code{USE_OPS}, @code{V_MAY_DEF_OPS}, 
766 @code{V_MUST_DEF_OPS} and @code{VUSE_OPS}. The following are all the 
767 accessor macros available to access USE operands.  To access all the 
768 other operand arrays, just change the name accordingly:
769
770 @defmac USE_OPS (@var{ann})
771 Returns the array of operands used by the statement with annotation
772 @var{ann}.
773 @end defmac
774
775 @defmac STMT_USE_OPS (@var{stmt})
776 Alternate version of USE_OPS that takes the statement @var{stmt} as
777 input.
778 @end defmac
779
780 @defmac NUM_USES (@var{ops})
781 Return the number of USE operands in array @var{ops}.
782 @end defmac
783
784 @defmac USE_OP_PTR (@var{ops}, @var{i})
785 Return a pointer to the @var{i}th operand in array @var{ops}.
786 @end defmac
787
788 @defmac USE_OP (@var{ops}, @var{i})
789 Return the @var{i}th operand in array @var{ops}.
790 @end defmac
791
792 The following function shows how to print all the operands of a given
793 statement:
794
795 @smallexample
796 void
797 print_ops (tree stmt)
798 @{
799   vuse_optype vuses;
800   v_may_def_optype v_may_defs;
801   v_must_def_optype v_must_defs;
802   def_optype defs;
803   use_optype uses;
804   stmt_ann_t ann;
805   size_t i;
806
807   get_stmt_operands (stmt);
808   ann = stmt_ann (stmt);
809   
810   defs = DEF_OPS (ann);
811   for (i = 0; i < NUM_DEFS (defs); i++)
812     print_generic_expr (stderr, DEF_OP (defs, i), 0);
813
814   uses = USE_OPS (ann);
815   for (i = 0; i < NUM_USES (uses); i++)
816     print_generic_expr (stderr, USE_OP (uses, i), 0);
817   
818   v_may_defs = V_MAY_DEF_OPS (ann);
819   for (i = 0; i < NUM_V_MAY_DEFS (v_may_defs); i++)
820     print_generic_expr (stderr, V_MAY_DEF_OP (v_may_defs, i), 0);
821
822   v_must_defs = V_MUST_DEF_OPS (ann);
823   for (i = 0; i < NUM_V_MUST_DEFS (v_must_defs); i++)
824     print_generic_expr (stderr, V_MUST_DEF_OP (v_must_defs, i), 0);
825   
826   vuses = VUSE_OPS (ann);
827   for (i = 0; i < NUM_VUSES (vuses); i++)
828     print_generic_expr (stderr, VUSE_OP (vuses, i), 0);
829 @}
830 @end smallexample
831
832 To collect the operands, you first need to call
833 @code{get_stmt_operands}.  Since that is a potentially expensive
834 operation, statements are only scanned if they have been marked
835 modified by a call to @code{modify_stmt}.  So, if your pass replaces
836 operands in a statement, make sure to call @code{modify_stmt}.
837
838
839 @node SSA
840 @section Static Single Assignment
841 @cindex SSA
842 @cindex static single assignment
843
844 Most of the tree optimizers rely on the data flow information provided
845 by the Static Single Assignment (SSA) form.  We implement the SSA form
846 as described in @cite{R. Cytron, J. Ferrante, B. Rosen, M. Wegman, and
847 K. Zadeck. Efficiently Computing Static Single Assignment Form and the
848 Control Dependence Graph. ACM Transactions on Programming Languages
849 and Systems, 13(4):451-490, October 1991}.
850
851 The SSA form is based on the premise that program variables are
852 assigned in exactly one location in the program.  Multiple assignments
853 to the same variable create new versions of that variable.  Naturally,
854 actual programs are seldom in SSA form initially because variables
855 tend to be assigned multiple times.  The compiler modifies the program
856 representation so that every time a variable is assigned in the code,
857 a new version of the variable is created.  Different versions of the
858 same variable are distinguished by subscripting the variable name with
859 its version number.  Variables used in the right-hand side of
860 expressions are renamed so that their version number matches that of
861 the most recent assignment.
862
863 We represent variable versions using @code{SSA_NAME} nodes.  The
864 renaming process in @file{tree-ssa.c} wraps every real and
865 virtual operand with an @code{SSA_NAME} node which contains
866 the version number and the statement that created the
867 @code{SSA_NAME}.  Only definitions and virtual definitions may
868 create new @code{SSA_NAME} nodes.
869
870 Sometimes, flow of control makes it impossible to determine what is the
871 most recent version of a variable.  In these cases, the compiler
872 inserts an artificial definition for that variable called
873 @dfn{PHI function} or @dfn{PHI node}.  This new definition merges
874 all the incoming versions of the variable to create a new name
875 for it.  For instance,
876
877 @smallexample
878 if (...)
879   a_1 = 5;
880 else if (...)
881   a_2 = 2;
882 else
883   a_3 = 13;
884
885 # a_4 = PHI <a_1, a_2, a_3>
886 return a_4;
887 @end smallexample
888
889 Since it is not possible to determine which of the three branches
890 will be taken at runtime, we don't know which of @code{a_1},
891 @code{a_2} or @code{a_3} to use at the return statement.  So, the
892 SSA renamer creates a new version @code{a_4} which is assigned
893 the result of ``merging'' @code{a_1}, @code{a_2} and @code{a_3}.
894 Hence, PHI nodes mean ``one of these operands.  I don't know
895 which''.
896
897 The following macros can be used to examine PHI nodes
898
899 @defmac PHI_RESULT (@var{phi})
900 Returns the @code{SSA_NAME} created by PHI node @var{phi} (i.e.,
901 @var{phi}'s LHS).
902 @end defmac
903
904 @defmac PHI_NUM_ARGS (@var{phi})
905 Returns the number of arguments in @var{phi}.  This number is exactly
906 the number of incoming edges to the basic block holding @var{phi}@.
907 @end defmac
908
909 @defmac PHI_ARG_ELT (@var{phi}, @var{i})
910 Returns a tuple representing the @var{i}th argument of @var{phi}@.
911 Each element of this tuple contains an @code{SSA_NAME} @var{var} and
912 the incoming edge through which @var{var} flows.
913 @end defmac
914
915 @defmac PHI_ARG_EDGE (@var{phi}, @var{i})
916 Returns the incoming edge for the @var{i}th argument of @var{phi}.
917 @end defmac
918
919 @defmac PHI_ARG_DEF (@var{phi}, @var{i})
920 Returns the @code{SSA_NAME} for the @var{i}th argument of @var{phi}.
921 @end defmac
922
923
924 @subsection Preserving the SSA form
925 @findex vars_to_rename
926 @cindex preserving SSA form
927 Some optimization passes make changes to the function that
928 invalidate the SSA property.  This can happen when a pass has
929 added new variables or changed the program so that variables that
930 were previously aliased aren't anymore.
931
932 Whenever something like this happens, the affected variables must
933 be renamed into SSA form again.  To do this, you should mark the
934 new variables in the global bitmap @code{vars_to_rename}.  Once
935 your pass has finished, the pass manager will invoke the SSA
936 renamer to put the program into SSA once more.
937
938 @subsection Examining @code{SSA_NAME} nodes
939 @cindex examining SSA_NAMEs
940
941 The following macros can be used to examine @code{SSA_NAME} nodes
942
943 @defmac SSA_NAME_DEF_STMT (@var{var})
944 Returns the statement @var{s} that creates the @code{SSA_NAME}
945 @var{var}.  If @var{s} is an empty statement (i.e., @code{IS_EMPTY_STMT
946 (@var{s})} returns @code{true}), it means that the first reference to
947 this variable is a USE or a VUSE@.
948 @end defmac
949
950 @defmac SSA_NAME_VERSION (@var{var})
951 Returns the version number of the @code{SSA_NAME} object @var{var}.
952 @end defmac
953
954
955 @subsection Walking use-def chains
956
957 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_use_def_chains (@var{var}, @var{fn}, @var{data})
958
959 Walks use-def chains starting at the @code{SSA_NAME} node @var{var}.
960 Calls function @var{fn} at each reaching definition found.  Function
961 @var{FN} takes three arguments: @var{var}, its defining statement
962 (@var{def_stmt}) and a generic pointer to whatever state information
963 that @var{fn} may want to maintain (@var{data}).  Function @var{fn} is
964 able to stop the walk by returning @code{true}, otherwise in order to
965 continue the walk, @var{fn} should return @code{false}.  
966
967 Note, that if @var{def_stmt} is a @code{PHI} node, the semantics are
968 slightly different.  For each argument @var{arg} of the PHI node, this
969 function will:
970
971 @enumerate
972 @item   Walk the use-def chains for @var{arg}.
973 @item   Call @code{FN (@var{arg}, @var{phi}, @var{data})}.
974 @end enumerate
975
976 Note how the first argument to @var{fn} is no longer the original
977 variable @var{var}, but the PHI argument currently being examined.
978 If @var{fn} wants to get at @var{var}, it should call
979 @code{PHI_RESULT} (@var{phi}).
980 @end deftypefn
981
982 @subsection Walking the dominator tree
983
984 @deftypefn {Tree SSA function} void walk_dominator_tree (@var{walk_data}, @var{bb})
985
986 This function walks the dominator tree for the current CFG calling a
987 set of callback functions defined in @var{struct dom_walk_data} in
988 @file{domwalk.h}.  The call back functions you need to define give you
989 hooks to execute custom code at various points during traversal:
990
991 @enumerate
992 @item Once to initialize any local data needed while processing
993       @var{bb} and its children.  This local data is pushed into an
994       internal stack which is automatically pushed and popped as the
995       walker traverses the dominator tree.
996
997 @item Once before traversing all the statements in the @var{bb}.
998
999 @item Once for every statement inside @var{bb}.
1000
1001 @item Once after traversing all the statements and before recursing
1002       into @var{bb}'s dominator children.
1003
1004 @item It then recurses into all the dominator children of @var{bb}.
1005
1006 @item After recursing into all the dominator children of @var{bb} it
1007       can, optionally, traverse every statement in @var{bb} again
1008       (i.e., repeating steps 2 and 3).
1009
1010 @item Once after walking the statements in @var{bb} and @var{bb}'s
1011       dominator children.  At this stage, the block local data stack
1012       is popped.
1013 @end enumerate
1014 @end deftypefn
1015
1016 @node Alias analysis
1017 @section Alias analysis
1018 @cindex alias
1019 @cindex flow-sensitive alias analysis
1020 @cindex flow-insensitive alias analysis
1021
1022 Alias analysis proceeds in 3 main phases:
1023
1024 @enumerate
1025 @item   Points-to and escape analysis.
1026
1027 This phase walks the use-def chains in the SSA web looking for
1028 three things:
1029
1030         @itemize @bullet
1031         @item   Assignments of the form @code{P_i = &VAR}
1032         @item   Assignments of the form P_i = malloc()
1033         @item   Pointers and ADDR_EXPR that escape the current function.
1034         @end itemize
1035
1036 The concept of `escaping' is the same one used in the Java world.
1037 When a pointer or an ADDR_EXPR escapes, it means that it has been
1038 exposed outside of the current function.  So, assignment to
1039 global variables, function arguments and returning a pointer are
1040 all escape sites.
1041
1042 This is where we are currently limited.  Since not everything is
1043 renamed into SSA, we lose track of escape properties when a
1044 pointer is stashed inside a field in a structure, for instance.
1045 In those cases, we are assuming that the pointer does escape.
1046
1047 We use escape analysis to determine whether a variable is
1048 call-clobbered.  Simply put, if an ADDR_EXPR escapes, then the
1049 variable is call-clobbered.  If a pointer P_i escapes, then all
1050 the variables pointed-to by P_i (and its memory tag) also escape.
1051
1052 @item   Compute flow-sensitive aliases
1053
1054 We have two classes of memory tags.  Memory tags associated with
1055 the pointed-to data type of the pointers in the program.  These
1056 tags are called ``type memory tag'' (TMT).  The other class are
1057 those associated with SSA_NAMEs, called ``name memory tag'' (NMT).
1058 The basic idea is that when adding operands for an INDIRECT_REF
1059 *P_i, we will first check whether P_i has a name tag, if it does
1060 we use it, because that will have more precise aliasing
1061 information.  Otherwise, we use the standard type tag.
1062
1063 In this phase, we go through all the pointers we found in
1064 points-to analysis and create alias sets for the name memory tags
1065 associated with each pointer P_i.  If P_i escapes, we mark
1066 call-clobbered the variables it points to and its tag.
1067
1068
1069 @item   Compute flow-insensitive aliases
1070
1071 This pass will compare the alias set of every type memory tag and
1072 every addressable variable found in the program.  Given a type
1073 memory tag TMT and an addressable variable V@.  If the alias sets
1074 of TMT and V conflict (as computed by may_alias_p), then V is
1075 marked as an alias tag and added to the alias set of TMT@.
1076 @end enumerate
1077
1078 For instance, consider the following function:
1079
1080 @example
1081 foo (int i)
1082 @{
1083   int *p, *q, a, b;
1084
1085   if (i > 10)
1086     p = &a;
1087   else
1088     q = &b;
1089
1090   *p = 3;
1091   *q = 5;
1092   a = b + 2;
1093   return *p;
1094 @}
1095 @end example
1096
1097 After aliasing analysis has finished, the type memory tag for
1098 pointer @code{p} will have two aliases, namely variables @code{a} and
1099 @code{b}.
1100 Every time pointer @code{p} is dereferenced, we want to mark the
1101 operation as a potential reference to @code{a} and @code{b}.
1102
1103 @example
1104 foo (int i)
1105 @{
1106   int *p, a, b;
1107
1108   if (i_2 > 10)
1109     p_4 = &a;
1110   else
1111     p_6 = &b;
1112   # p_1 = PHI <p_4(1), p_6(2)>;
1113
1114   # a_7 = V_MAY_DEF <a_3>;
1115   # b_8 = V_MAY_DEF <b_5>;
1116   *p_1 = 3;
1117
1118   # a_9 = V_MAY_DEF <a_7>
1119   # VUSE <b_8>
1120   a_9 = b_8 + 2;
1121
1122   # VUSE <a_9>;
1123   # VUSE <b_8>;
1124   return *p_1;
1125 @}
1126 @end example
1127
1128 In certain cases, the list of may aliases for a pointer may grow
1129 too large.  This may cause an explosion in the number of virtual
1130 operands inserted in the code.  Resulting in increased memory
1131 consumption and compilation time.
1132
1133 When the number of virtual operands needed to represent aliased
1134 loads and stores grows too large (configurable with @option{--param
1135 max-aliased-vops}), alias sets are grouped to avoid severe
1136 compile-time slow downs and memory consumption.  The alias
1137 grouping heuristic proceeds as follows:
1138
1139 @enumerate
1140 @item Sort the list of pointers in decreasing number of contributed
1141 virtual operands.
1142
1143 @item Take the first pointer from the list and reverse the role
1144 of the memory tag and its aliases.  Usually, whenever an
1145 aliased variable Vi is found to alias with a memory tag
1146 T, we add Vi to the may-aliases set for T@.  Meaning that
1147 after alias analysis, we will have:
1148
1149 @smallexample
1150 may-aliases(T) = @{ V1, V2, V3, ..., Vn @}
1151 @end smallexample
1152
1153 This means that every statement that references T, will get
1154 @code{n} virtual operands for each of the Vi tags.  But, when
1155 alias grouping is enabled, we make T an alias tag and add it
1156 to the alias set of all the Vi variables:
1157
1158 @smallexample
1159 may-aliases(V1) = @{ T @}
1160 may-aliases(V2) = @{ T @}
1161 ...
1162 may-aliases(Vn) = @{ T @}
1163 @end smallexample
1164
1165 This has two effects: (a) statements referencing T will only get
1166 a single virtual operand, and, (b) all the variables Vi will now
1167 appear to alias each other.  So, we lose alias precision to
1168 improve compile time.  But, in theory, a program with such a high
1169 level of aliasing should not be very optimizable in the first
1170 place.
1171
1172 @item Since variables may be in the alias set of more than one
1173 memory tag, the grouping done in step (2) needs to be extended
1174 to all the memory tags that have a non-empty intersection with
1175 the may-aliases set of tag T@.  For instance, if we originally
1176 had these may-aliases sets:
1177
1178 @smallexample
1179 may-aliases(T) = @{ V1, V2, V3 @}
1180 may-aliases(R) = @{ V2, V4 @}
1181 @end smallexample
1182
1183 In step (2) we would have reverted the aliases for T as:
1184
1185 @smallexample
1186 may-aliases(V1) = @{ T @}
1187 may-aliases(V2) = @{ T @}
1188 may-aliases(V3) = @{ T @}
1189 @end smallexample
1190
1191 But note that now V2 is no longer aliased with R@.  We could
1192 add R to may-aliases(V2), but we are in the process of
1193 grouping aliases to reduce virtual operands so what we do is
1194 add V4 to the grouping to obtain:
1195
1196 @smallexample
1197 may-aliases(V1) = @{ T @}
1198 may-aliases(V2) = @{ T @}
1199 may-aliases(V3) = @{ T @}
1200 may-aliases(V4) = @{ T @}
1201 @end smallexample
1202
1203 @item If the total number of virtual operands due to aliasing is
1204 still above the threshold set by max-alias-vops, go back to (2).
1205 @end enumerate